瞬态电压抑制器的应用
摘要：介绍了瞬态电压抑制器的工作原理、特性参数以及使用方法。举例说明了在开关电源浪涌消除上的应用。
关键词：浪涌瞬态电压抑制器开关电源
消除噪声干扰、防止浪涌损害一直是电子设备设计者头痛的一件事。瞬态电压抑制器（TVS：transientvoltagesuppressor)可以方便地解决这些问题。 当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10－12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。
1TVS的特性和主要参数
图1TVS电压－电流特性 11TVS的特性
TVS的电路符号和普通的稳压管相同。其电压—电流特性曲线如图1所示。 其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流—时间和电压—时间曲线。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM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箝位到预定的最大箝位电压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，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。
12TVS的主要参数 （1）最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。 （2）最小击穿电压VBR和击穿电流IR VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流（IR）时，加于TVS两极的电压为其最小击 图2TVS电压（电流）时间特性 穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。 （3）最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP 当持续时间为20μs的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2～1.4之间。 （4）电容量C 电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。 （5）最大峰值脉冲功耗PM PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为001％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。 （6）箝位时间tc tc是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10－12s；对双极性TVS小于10×10－12s。 2TVS的分类 TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。 3TVS的选用指南 （1）确定被保护电路的最大直流或连续工作电 压，电路的额定标准电压和最大可承受电压。 （2）TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于 被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM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）TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护 电路的损坏电压。 （4）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。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS的最大峰值脉冲功率是以10/1000μs的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。如某600WTVS，对1000μs脉宽最大吸收功率为600W，但是对50μs脉宽吸收功率就可达到2100W，而对10ms的脉宽最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关：如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％，若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％。 （5）平均稳态功率的匹配 对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明，在一功率开关电路中会产生120Hz，宽度为4μs，峰值电流为25A的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到112V。此中平均稳态功率的计算为：脉冲时间间隔等于频率的倒数，1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积，即280×（0.000004s/0.0083s)=0.134W。也就是说，选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。 （6）对于数据接口电路的保护，还必须注意选取 具有合适电容C的TVS器件。 （7）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。 （8）温度考虑 瞬态电压抑制器可以在－55℃～＋150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。 4TVS与压敏电阻的比较 目前，国内不少需要进行浪涌保护的设备上仍然
图3TVS的应用
使用的是压敏电阻。压敏电阻是一种金属氧化物变阻器，TVS比压敏电阻的性能优越得多，其性能比较列于表1。 表1TVS与压敏电阻性能比较 [/table][table]
关键参数或极限值TVS压敏电阻
反应速度10－12s50×10－9s
是否老化否是
最高使用温度175℃115℃
器件极性单极性和双极性单极性
反向漏电流典型值5μA200μA
箝位因子VC/VBR不大于15最大可达7～8
封闭性质密封，不透气透气
价格较贵便宜5TVS的命名市场上能见到如下系列的TVS管： SA系列—500W P6KE，SMBJ系列—600W 1N5629～1N6389，1.5KE，LC，LCE系列—1500W 5KP系列—5000W 15KAP，15KP系列—15000W 其中尤以P6KE和15KE系列最为常见，它们的命名规则如下： 第一部分＋第二部分＋第三部分 第一部分……P6KE或15KE 第二部分……数字，代表最小击穿电压 第三部分……A或CA，A代表单向TVS管；CA代表双向TVS管 例如，P6KE200A为500W最小击穿电压约200V的单向TVS管。 6TVS的应用举例 如图3所示，为一典型的开关电源驱动电路。当功率开关管关断时，由于开关变压器线圈漏感的存在，会产生极高的反电势，有可能将功率开关管击穿。当在开关变压器一次侧并接上TVS管后，可以有效地吸收电压尖峰，保护功率开关管的安全，降低对功率开关管耐压的要求。TVS管的选择如下： 220V交流市电经整流滤波后变为高压直流供给开关变压器，此高压直流变化范围是240V～360V，而由于变压器漏感和引线电感的存在，关断过电压可以高达几千伏，功率开关管关断时难于同时承受这两种电压。综合考虑可以选用VWM等于200V左右的TVS，这样将关断过电压控制在300V以内，加上电源电压，功率开关管选用耐压为700V的管型即可。 下面估算一下TVS管的PM值： TVS管所耗散的功率也就是电路杂散电感所存储的功率，故而转求杂散电感存储功率即可。 PM=PL=E/t=0.5LI2/t 杂散电感一般为几个μH，这里取5μH； 100W的开关电源原边平均电流I=P/U=100/240=0.417A，设占空比D为05，则最大电流=I/D=0.417/0.5=0.833A，取I=1A； 功率开关器件关断时间一般在几十纳秒，取t=10ns，于是有： PM=0.5×5×10－6×12/10×10－9=250W，由于开关电源开关频率很高，达到了100kHz以上，考虑脉冲功率的累计，PM应成倍扩大，结合PM的标称值取600W。 因此可以选用200V/600W的TVS管。由于仅在开关管关断时产生单向过电压，故选用单向TVS即可，例如P6KE200A。
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