TVS選型,讓老人新人都能得心應手!

2021-10-12 16:16:53 字數 3799 閱讀 7198

都是限制個電壓,為何人家的選型就比我優秀?

工作原理

tvs(transient voltage suppressors),即瞬態電壓抑制器,又稱雪崩擊穿二極體。它是採用半導體工藝製成的單個 pn 結或多個 pn 結集成的器件。tvs 有單向與雙向之分,單向 tvs 一般應用於直流供電電路,雙向 tvs 應用於電壓交變的電路。如圖 1 所示,應用於直流電路時單向 tvs 反向併聯於電路中,當電路正常工作時,tvs 處於截止狀態(高阻態),不影響電路正常工作。當電路出現異常過電壓並達到tvs(雪崩)擊穿電壓時,tvs 迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態,洩放由異常過電壓導致的瞬時過電流到地,同時把異常過電壓鉗制在較低的水平,從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失後,tvs 阻值又恢復為高阻態。

工欲善其事,必先利其器,要用好tvs,必須先了解其關鍵的引數。

(1) vrwm截止電壓:

tvs 的最高工作電壓,可連續施加而不引起 tvs 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對於交流電壓,用最高工作電壓有效值表示,在 v rwm 下,tvs 認為是不工作的,即是不導通的。換一句話,電路的最高工作電壓必須小於vrwm,否則將會導致tvs動作導致電路異常。

(2) i r 漏電流:

漏電流,也稱待機電流。在規定溫度和最高工作電壓條件下,流過 tvs 的最大電流。tvs 的漏電流一般是在截止電壓下測量,對於某一型號 tvs, i r 應在規定值範圍內。對 tvs 兩端施加電壓值為 v rwm ,從電流錶中讀出的電流值即為 tvs的漏電流 i r 。對於同功率和同電壓的 tvs,在 v rwm ≤10v 時,雙向 tvs 漏電流是單向 tvs 漏電流的 2 倍。對於一些模擬埠,漏電流會影響ad的取樣值,所以tvs的漏電流越小越好。

(3) vbr 擊穿電壓

擊穿電壓,指在 v-i 特性曲線上,在規定的脈衝直流電流 i t 或接近發生雪崩的電流條件下測得 tvs 兩端的電壓。測試的電流it一般選取10ma左右,施加的電流的時間不應超過400ms,以免損壞器件,vbr min 和 vbr max 是 tvs 擊穿電壓的乙個偏差,一般 tvs 為±5%的偏差。測量時,v br 落在 v br min .和 v br max .之間視為合格品。

(4) i pp 峰值脈衝電流 ,v c 鉗位電壓

峰值脈衝電流,給定脈衝電流波形的峰值。tvs 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓,施加規定波形的峰值脈衝電流 i pp 時,tvs 兩端測得的峰值電壓。i pp 及 v c 是衡量 tvs 在電路保護中抵抗浪湧脈衝電流及限制電壓能力的引數,這兩個引數是相互聯絡的。對於 tvs 在防雷保護電路中的鉗位特性,可以參考 v c 這個引數。對於相同型號 tvs,在相同 i pp 下的v c 越小,說明 tvs 的鉗位特性越好。tvs 的耐脈衝電流衝擊能力可以參考 i pp ,同型號的 tvs,i pp 越大,耐脈衝電流衝擊能力越強。

(5)結電容ci,漏電流ir

結電容是tvs中的寄生電容,在高速io埠保護需要重點關注,過大的結電容可能會影響訊號的質量。漏電流主要帶來了功率的損耗,或者是在模擬訊號中,會影響ad訊號的取樣值。

選型過程

了解了tvs的基本引數,我們就開始進入最重要的tvs選型的過程了。選擇tvs之前,我們首先要明白選擇的終極目標:

1.電壓合適能保護后級電路;

2.引入的tvs的結電容不能影響電路;

3.tvs功率餘量充足,滿足測試標準,且不能比保險管先掛。

選型的過程可以按照以下的步驟進行:

1.選擇tvs最高工作電壓vrmw;

2. 選擇tvs鉗位電壓vc;

3.選擇tvs的功率;

4.評估漏電流ir的影響;

5.評估結電容的影響;

選擇tvs最高工作電壓vrmw

在電路正常工作情況下,tvs 應該是不工作的,即處於截止狀態,所以 tvs 的截止電壓應大於被保護電路的最高工作電壓。這樣才能保證 tvs 在電路正常工作下不會影響電路工作。但是 tvs 的工作電壓高低也決定了 tvs 鉗位電壓的高低,在截止電壓大於線路正常工作電壓的情況下,tvs 工作電壓也不能選取的過高,如果太高,鉗位電壓也會較高,所以在選擇 vrwm 時,要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求vrwm要大於工作電壓,否則工作電壓大於vrwm會導致tvs反向漏電流增大,接近導通,或者雪崩擊穿,影響正常電路工作。綜合考慮,vrwm可以參考以下的公式:

vrwm≈1.1~1.2*vcc ;--------其中vcc為電路的最高工作電壓。

選擇選擇tvs鉗位電壓vc

tvs 鉗位電壓應小於后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓,vc 與 tvs 的雪崩擊穿電壓及 i pp 都成正比。對於同一功率等級的 tvs,其擊穿電壓越高 v c 也越高,所選tvs的最大箝位電壓vc不能大於被防護電路可以承受的最大電壓。否則,當tvs鉗在vc時會對電路造成損壞。vc可以參考以下的公式:

vc<vmax ;-----其中vmax為電路能承受的最高電壓。

選擇tvs的功率pppm(或者ipp)

tvs 產品的額定瞬態功率應大於電路中可能出現的最大瞬態浪湧功率,理論上,tvs的功率越大越好,能夠承受更多的衝擊能量和次數,但是功率越高,tvs的封裝越大,價錢也越高,所以,tvs的功率滿足要求即可。對於不同功率等級的 tvs,相同電壓規格的 tvs 其 v c 值是一樣的,只是 i pp 不同。故 pppm 與 ippm成正比,ippm 越大,pppm 也越大。對於某一電路 ,有對應的測試要求,設實際電路中的最大測試電流為 iactual ,則 iactual 可估算為:

iactual=uactual/ri;---------其中 uactual 為測試電壓,ri為測試內阻。

tvs 要通過測試,故實際電路中要求 10/1000μs 波形下 tvs 的最小功率 p actual 為:-------其中di/dt為波形轉換係數,如實際測試波形為其他波形,如 8/20μs波形,建議di/dt取,如測試波形為 10/1000μs,取,實際選型中,tvs 應留有一定的裕量,tvs 的功率ppmp 選擇應遵循pppm>pactual。

根據所選的tvs的結電容和漏電流評估影響

如果tvs 用在高速io埠防護、模擬訊號取樣、低功耗裝置場合,就需要考慮結電容和漏電流的影響,兩則的引數越小越好。

選型舉例

資料都是無趣的,我們以實際的案例舉例:

電路的正常工作電壓vcc是24v,最高工作電壓vmax是26v,后級電路可承受的最高瞬態電壓為50v,實驗的測試波形為 8/20μs波形,測試電壓500v,測試電源內阻及pptc的靜態電阻合計為2ω。根據上述資訊選擇合適的tvs。

選擇tvs最高工作電壓

vrmw≈1.11.2*vcc=2628v

選擇選擇tvs鉗位電壓

vc<vmax=50v

計算實際測試波形功率:

pact=50*(500/3)*1/2=4166w

根據計算結果,可以選用5.0smdj26a這個tvs,由於這個tvs用在電源埠,結電容和漏電流基本可以忽略不計。

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