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学习笔记 -- TVS管选型参考

一、TVS管基本工作原理

        当TVS管(瞬态电压抑制器)两极受到反向瞬态高能量冲击时,能以纳秒(ns)量级的速度,将两极间的高阻抗变为低阻抗,使两极间的电压箝位于一个预定的值,有效地保护电子线路中的元器件。

        在浪涌电压作用下,TVS 两极间的电压由额定反向关断电压 VRWM 上升到击穿电压 VBR,而被击穿。随着击穿电流的出现,流过 TVS 的电流将达到峰值脉冲电流 IPP,同时在其两端的电压被钳位到预定的最大钳位电压 VC 以下。其后,随着脉冲电流按指数衰减,TVS 两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态。

        TVS 管有单向与双向之分,单向 TVS 管的特性与稳压二极管相似,双向 TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。

二、TVS管主要特性参数

        1、反向截止电压 VRWM 与反向漏电流 IR:VRWM 表示 TVS 管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流 IR。

        2、击穿电压 VBR:TVS 管通过规定的电流时的电压,这是表示 TVS 管导通的标志电压。

        3、脉冲峰值电流 IPP:TVS 管允许通过的 10/1000μs 波的最大峰值电流(8/20μs 波的峰值电流约为其 5 倍左右),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中,击穿电压越高的TVS管允许通过的峰值电流越小,一般是几 A~几十 A。

        4、最大箝位电压 VC:TVS 管流过脉冲峰值电流 IPP 时两端所呈现的电压。

        5、脉冲峰值功率 Pm:脉冲峰值功率 Pm 是指 10/1000μs 波的脉冲峰值电流 IPP 与最大箝位电压 VC 的乘积,即 Pm = IPP * VC。在给定的最大钳位电压下,功耗 PM 越大,其浪涌电流承受能力也就越大,在给定的功耗 PM 下,钳位电压越低,其浪涌电流的承受能力越大。

        6、极间电容 Cj:与压敏电阻一样,TVS 管的极间电容 Cj 也较大,且单向的比双向的大,功率越大的电容也越大,极间电容会影响 TVS 的响应时间。

三、选型依据及注意问题

        1、TVS 的最大反向钳位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压。

        2、TVS 的额定反向关断电压 VRWM 要大于或等于被保护电路的最大工作电压, 若选用的 VRWM 太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。

        3、在规定的脉冲持续时间内,TVS 的最大峰值脉冲功率 PM 必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率,在确定了最大钳位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

        4、结电容是影响 TVS 在高速线路中使用的关键因素,一般用一个 TVS 管和一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等效电容也较小,可以满足高频使用的要求。

        5、对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适寄生电容的TVS器件。

        6、根据用途选用TVS的极性及封装结构,交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。

        7、TVS二极管与被保护线路进行并联,当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS二极管便产生雪崩,提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果是瞬时电流透过二极管被引开,避开被保护元件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管自动恢复高阻状态,整个回路恢复正常电压。

四、选型应用参考

        以SMBJ13A为例进行应用选型:

       例如:直流工作电压 12V,最大允许安全电压 26V(峰值),浪涌源的阻抗 50MΩ,其干扰波形为方波,TP=1ms,最大峰值电流 20A:

        1、工作电压 12V, 一般按 1.1 ~ 1.2 倍来选取 TVS 管的最大反向截止电压VRWM,选取最大反向截止电压 VRWM 为 13V(12 * 1.1 = 13.2V),则击穿电压为 V(BR)= VRWM / 0.85 = 15.3V;

        2、从击穿电压值选取最大箝位电压VC(MAX) = 1.30 × V(BR) = 19.89V,取 VC = 20V,满足最大;

        3、再从箝位电压 VC 和峰值电流 IP 计算出方波脉冲峰值功率:PPR = VC × IP = 20 × 20 = 400W;

        4、计算折合为 TP=1MS 指数波的峰值功率,折合系数 K1 = 1.4, PPR = 400W ÷ 1.4 = 285W。

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