本文主要介绍防浪涌电路中的元器件之TVS以及一些常用的电路。

 

1、概述:

 

防浪涌电路中的元器件主要有气体放电管、压敏电阻、TVS管、TSS管、保险管、熔断器、空气开关、还有电感、电阻、电容等。

 

本文我们来详细分析TVS的工作原理。

 

以下是工作原理示意图：

 

电压钳位型瞬态抑制二极管TVS （Transient Voltage Suppressor），是一种限压保护器件｡ 

 

如下图所示的是常用的几种封装形式的TVS原理图符号：

 

还有集成式的，如下图所示：

目前，市面上的TVS多用半导体硅片制成，和二极管类似,其是由一个或者多个PN节构成。

 

它是一种具有非线性伏安特性的电子器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件，和压敏电阻类似。

 

以下是TVS的特性和工作区域描述：

下图是压敏电阻吸收浪涌的示意图：

下图为TVS吸收浪涌的示意图：

从两幅图可以看出，其作用与压敏电阻很类似｡ 也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护的｡ 

二极管的等效电路如下图所示：

正常情况下相当于一个电容，和信号线的电阻可以组成一个低通滤波器，因此TVS管会造成插入损耗，降低信号质量。

 

下图为不同结电容与插入损耗的关系示意图：

TVS动态电阻（RDYN）表示浪涌电流分流到GND的难易程度。低动态电阻TVS管能将更多浪涌电流分流到GND。

 

从连接器端看，TVS管和受保护器件的阻抗可视为并联阻抗。

 

如果TVS管阻抗（即动态电阻）低，则大部分浪涌电流可通过TVS管分流，减少流入受保护器件的电流，从而降低损坏的可能性，如下图所示：

RDYN是反向导通模式下VF–IF曲线的斜率，如下图所示，可以说明如何计算TVS的动态电阻：

 

TVS的主要参数有反向击穿电压､ 最大钳位电压､ 瞬间功率､ 结电容及响应时间等｡

 

如下为某TVS管的电气参数表之一：

 

下面对表中参数进行简单介绍：

 

脉冲峰值功率（Peak pulse power）Ppk：该脉冲功率有的是在8/20us @25℃的测试条件下测得，如下图所示：

 

80/20us代表一个上升时间为8µs，半峰值时间为20 µs的冲击电流波形，如下图所示：

有的是在10/1000us @25℃的条件下测试得到的，为TVS在特定标准波形下测到的峰值功率。如下表为某TVS管的电气参数表：

下图为10/1000us @25℃的测试波形，这两种波形我们在前面的讲压敏电阻和气体放电管的时候都有涉及到。

其实这两种波形的形式都一样，只是上升沿的时间和下降到半峰值时的时间不同罢了。

 

脉冲峰值电流（Peak pulse current）IPP：和峰值功率一样的测试条件，是在特定标准波形下TVS管所能承受到的峰值电流。

 

IEC 61000-4-2标准下的空气放电 VESD：IEC 61000-4-2为静电放电的一个模型，它区别于人体模型（HBM）和带电装置模型（CDM）这是一个为日常使用设计的标准。

 

如红色波形所示，IEC 61000-4-2 波形像是CDM和HBM的合并，前面快速的上升是模拟CDM，后边持续的放电时模拟HBM，它用了更高的电流脉冲并且持续的时间也更长。

IEC 61000-4-2标准下的接触放电 VESD：和空气放电类似，只是操作的时候一个是接触，一个是非接触，此处不再赘述。

 

以下图表中的参数是TVS选型中常用的电气参数，各家的参数描述大同小异，下面我们来一 一解释。

在介绍这些参数之前，我们需要熟悉一下TVS的I/V曲线：

 

反向关断电压（Reverse Stand-Off Voltage）VRWM：当TVS管反向不导通时的最大电压，对应的电流IR为最大反向漏电流。

 

该电压一般要略大于被保护电路的最高工作电压。

 

漏电流IR一般为0.1uA~1uA。

 

反向击穿电压（Reverse Breakdown Voltage）VBR：是在规定的脉冲电流IT下或者接近发生雪崩的电流条件下测得的TVS两端的电压。

 

IT一般选取为1~10mA，施加的电流时间不超过400ms。

 

击穿电压是TVS管导通的标志，当反向电压超过击穿电压时，随着反向电压增大，反向电流将急剧增大。

 

通常击穿电压和反向关断电压的关系如下：

 

VRWM=（0.8~0.9）VBR

 

峰值脉冲电流（Peak Pulse Current）IPP：是TVS按照规定的电流脉冲(8/20us或10/1000us)波形下，TVS允许通过的最大峰值电流。

 

钳位电压（Clamping Voltage）Vc：是指在峰值脉冲电流IPP条件下测得的TVS管两端的电压，一般选取30ns时的电压值。

 

不同的IPP值，对应的VC不同。

 

我们在选型时，VC应小于后级电路所能承受的瞬态安全电压。

 

如下为某RS485芯片的电气参数，如果我们在A、B处加TVS管，则VC要小于15V。

节电容（Junction Capacitance）Cj：为TVS的PN节的电容，通常在一定频率下测得。

 

不同类型的TVS的结电容差别比较大，从零点几皮法到几十皮法甚至有纳法级别的。

 

该值高速电路中要格外关注，因为该值的大小会影响信号的质量，常见接口中的TVS结电容推荐如下：

 

还有一种结电容和信号频率的关系，可以相互参考：

以上是对TVS基本参数和功能的概述，下面我们来分析TVS在使用上的注意事项。

 

2、TVS 使用时的注意事项：

 

前面已经有一些结论性的东西了，此处我们再总结一下。

 

1、TVS额定反向关断VRWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。

 

2、TVS的最大钳位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

 

3、对于数据接口电路的保护，选型时要注意结电容Cj，具体值可以参考上述表格中推荐的值。

 

4、不同通讯接口所用的TVS一般都有专用的，如HDMI、CAN、Audio等，先找是否有专用的再选普通的。

 

5、TVS管在布局的时候要靠近ESD进入点，尽量保证与TVS管串联的走线电感最小：

 

如下图所示为不同布局下的TVS管的钳位电压，走线电感越小，钳位电压越低：

 

不要将任何PCB走线与可能引入ESD脉冲的信号走线并行。特别是，避免ESD抗扰度低的走线与可能受ESD影响的走线并行。

TVS 的响应时间可以达到ps级, 是限压型浪涌保护器件中最快的｡

 

TVS 的非线性特性比压敏电阻好｡ 当通过TVS的过电流增大时, TVS的钳位电压上升速度比压敏电阻慢, 因此可以获得比压敏电阻更理想的残压输出｡

 

TVS的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的, 一般用于最末级的精细保护, 因其通流量小, 一般不用于交流电源线路的保护。

 

直流电源的防雷电路使用TVS时, 一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用，如下图所示：

TVS有单极性和双极性之分，在单极性的信号电路和直流电源电路中, 选用单向TVS可以获得比压敏电阻低50%以上的残压｡

 

TVS 的反向击穿电压､ 通流容量是电路设计时应重点考虑的｡ 

 

在直流回路中, TVS的反向击穿电压应当为 ：

 

VBR≈(1.8~2) Vdc 

 

式中, Vdc 为回路中的直流工作电压｡ 

 

在信号回路中, TVS 的反向击穿电压应当为 ：

 

VBR≈(1.2~1.5) Vmax 

 

式中, Vmax 为信号回路的峰值电压｡ 

 

TVS 主要可用于直流电源､ 信号线路､ 天馈线路的防雷保护｡ 

 

TVS的失效模式主要是短路｡ 但当通过的过电流太大时, 也可能造成因TVS被炸裂而开路的现象｡ 

 

3、典型应用电路：

 

电路一：HDIM接口电路

 

 

 

电路二：高速Serdes

电路三：普通SPI接口

电路四：按键电路

电路五：USB3.0电路

TVS在电路中的应用数不胜数，在EMC中的应用就介绍到这里，此处只做抛砖引玉的作用，欢迎一起交流学习。