本文主要介绍防浪涌电路中的元器件之TSS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TSS的工作原理。

 

TSS(Thyristor Surge Suppressors)，浪涌抑制晶闸管，或称半导体放电管、固体放电管等。

 

是一种电压开关型瞬态抑制二极管，采用半导体工艺制成的PNPN结四层结构。

 

其电路符号如下所示：

也有如下的电路符号：

 

它主要通过瞬间吸收和分散电路中的高能量瞬态过电压，从而保护电路中的敏感组件。

 

TSS的类型众多，主要包括二极管型、三极管型、硅控型等。

 

不同类型的TSS具有不同的电压、电流以及响应时间特性。

 

如二极管型TSS具有快速响应时间，适合于处理高速信号线的保护。

 

而硅控型TSS则因其较大的电流承受能力，常用于电源线路的保护。

 

从图上看出，TSS也有不同的封装，有贴片式的SMA\SMB\SMD封装、直插的TO封装，还有芯片式的SOP封装（一般用于专用接口），如下图所示：

 

其内部结构如下：

 

TSS当感应雷、操作过电压等出现异常过电压时，迅速导通，形成低阻态，将过电压导入地线，电压钳位到接近于0，保护后续电路。

 

TSS持续这种短路状态，直到流过TSS的过电流降到临界值以下后, TSS 才恢复开路状态，不影响正常电路的工作。

 

TSS的伏安特性和开关特性如下图所示：

 

从图中可以看出，TSS的开关特性包含四个区域：断态区、击穿区、负电阻区和通态区。

 

下面我们先来解释一下这几个区：

 

断态区：

 

是电压—电流特性的高电阻、低电流区。

 

该区域从原点延伸至击穿起始点。

 

断态电流是结反向电流和所有表面漏电流的综合，在该区可施加反向截止电压（VDRM）测量TSS的漏电流（IDRM）。

 

击穿区：

 

击穿区是电压—电流特性的低电阻、高电压区域。

 

该区域是从电压—电流特性的高动态电阻的低电流部分开始变化，至显著的低动态电阻区、电流剧增的区域。

 

最终当TSS电压出现足以激活开通时，该区域终止。

 

负电阻区：

 

负电阻区表示从击穿区开关点到通态状态的轨迹。

 

该区域是一个动态状态，TSS管正反馈随时间而增加导致电流增加，这引起TSS两端的电压降低，直至达到通态状态。

 

通态区：

 

通态区是电压—电流特性的低电阻、高电流部分。

 

在通态状态时，完全正反馈的晶闸管通过的电流产生最低电压降。

 

刚好维持通态的最小电流定义为维持电流（IH），低于该电流会导致TSS关断。

 

熟悉了TSS的四个区域，我们先来熟悉一下TSS伏安特性所涉及到的几个电气参数。

 

如下图表为某品牌某系列的TSS电气参数列表：

 

反向截止电压（Peak Off-state Voltage）VDRM：也称断态重复峰值电压，是TSS保持关断的最大电压。

 

也是断态时刻施加的包含所有直流和重复性电压分量的额定最高（峰值）瞬时电压。

 

VDRM一般要大于信号正常工作电压，小于被保护器件的最大极限电压。

 

以下是VDRM的测试电路示意图：

 

反向最大漏电流（Off-state current）IDRM：也称断态重复峰值电流，是指施加断态重复峰值电压VDRM产生的最大（峰值）断态电流。

 

开关电压（Switching Voltage）VS：器件转换进入通态前，在击穿区终点时器件两端的瞬时电压。

 

VS一般也要大于信号正常工作电压，小于被保护器件的最大极限电压。

 

该值有的是在100KV/s的条件下测得，有的是在100V/us的条件下测得。

 

另外，该值会随着结温的变化而变化，手册中的VS一般是在25℃的温度下测得。

 

下面是VS的变化率随结温的变化曲线：

 

从图上可以看出，TSS结温越高，VS变大。

 

维持电流（Holding current）IH：维持晶闸管通态的最小阳极电流（最小主电流或最小晶闸管电流）。

 

开关电流（Switching current）IS：在开关电压VS条件下流过器件的瞬时电流。

 

通态电流（On-state current）IT：在通态条件下，流过器件的电流。

 

IT一般要大于芯片正常工作电流。

 

通态电压（On-state voltage）VT：在规定通态电流IT条件下器件两端电压。

 

VT一般小于被保护器件的最大极限电压。

 

关断电容（Off-state capacitance）CO/CJ：通常是在关断条件下，特定频率和电压下（一般为1MHz@2VDC）测得到的TSS的结电容及其它杂散电容。

 

除了以上还有如以下图表中的一些电气参数：

 

以上典型的参数如：

 

峰值脉冲电压（Peak Pulse Voltage）VPP：给定波形下TSS可通过的最大峰值脉冲电压值。

 

VPP常采用10/700μs电压波进行测量， 电压值对应2kV，4kV，6kV等。

 

峰值脉冲电流（Peak Pulse Current）IPP ：给定波形下TSS可通过的最大峰值脉冲电流。

 

IPP还可采用8/20μs、 10/1000μs 等波形来测量，不同的波形IPP对应不同的数值。

 

有以下常用冲击电流波形：

以上波形在前面介绍其它抗浪涌器件中都已经描述过，此处不做赘述。

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

 

2、TVS 使用时的注意事项：

 

TSS的工作原理与气体放电管类似, 而与压敏电阻和TVS不同｡ 

 

有关气体放电管、压敏电阻和TVS的介绍，可以参考我前面的文章《EMC相关器件简介——防浪涌电路中的元器件之气体放电管》、《EMC相关器件简介——防浪涌电路中的元器件之TVS》和《EMC相关器件简介——防浪涌电路中的元器件之压敏电阻》。

 

TSS 在响应时间､ 结电容方面具有与TVS类似的特点, 易于制成表贴器件, 很适合在单板上使用｡

 

TSS动作后, 将过电压从击穿电压值附近下拉到接近0V的水平｡ 

 

这时二极管的结压降低, 所以常用于信号电平较高的线路 (如模拟用户线､ ADSL等) 保护时通流量比TVS 大, 保护效果也比TVS好｡ 

 

TSS适合于信号电平较高的信号线路的保护｡ 

 

在使用TSS时需要注意的一个问题是: 

 

TSS在过电压作用下被击穿后, 当流过TSS的电流值下降到临界值以下后, TSS才恢复开路状态, 因此TSS在信号线路中使用时, 信号线路的常态电流应小于TSS的临界恢复电流｡

 

选型时还有以下一些事项要注意。

 

反向截止电压（VDRM）:

 

TSS的反向截止电压VDRM应大于被保护电路的最大工作电压，否则TSS不仅会影响被保护电路的正常工作，还会影响TSS的使用寿命。

 

TSS的续流问题:

 

TSS是一种开关型过电压保护器件，导通后电压较低，不能单独应用于较高的电源线保护。

 

常说的TSS会续流，是指TSS在导通后，如果被保护的线路电压高于TSS的通态电压，流过TSS的电流高于TSS的维持电流，TSS会一直处于导通状态。

 

TSS长时间通过安培级别的大电流，会对电路造成损坏。

 

封装形式：

 

根据电路设计布局选择合适的封装形式。

 

TSS器件封装的大小从一定程度上可以反映器件的防护等级大小，一般封装越大的器件耐冲击电流的能力也越大，防护等级也越高，反之亦然。

 

封装有贴片、插件和阵列式封装。

 

结电容：

 

TSS结电容一般从几十到一百多皮法，不建议用在高速电路中。

 

另外，TSS 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TSS被炸裂而开路，使用时要特别注意｡ 

   

3、举例

 

TSS 较多应用于信号线路的防雷保护，广泛应用于通信、安防、工业等电子产品的通信线保护。

 

典型应用电路：

 

电路一：典型应用，BNC接口保护

电路二：RS485接口电路

电路三：视频接口防雷设计

电路四：以太网接口防雷设计

电路五：CAN电路

电路五：其它电路