瞬态电压抑制二极管应用指南.doc

瞬态电压抑制二极管应用指南2009 年 04 月 06 日 星期一 19:29第一章 TVS 器件的特点、电特性和主要电参数一、 TVS 器件的特点瞬态（瞬变）电压抑制二级管简称 TVS 器件，在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏TVS 能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为 1ps（10-12S）TVS 允许的正向浪涌电流在TA＝250C，T＝10ms 条件下，可达 50～200A 双向 TVS 可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平，双向 TVS 适用于交流电路，单向 TVS 一般用于直流电路二、 TVS 器件的电特性1、单向 TVS 的 V-I 特性如图 1-1 所示，单向 TVS 的正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿，为典型的 PN 结雪崩器件从击穿点到 VC 值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值，并保持在这一水平上2、双向 TVS 的 V-I 特性如图 1-2 所示，双向 TVS 的 V-I 特性曲线如同两只单向 TVS“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，正反两面击穿电压的对称关系为：0.9≤V(BR)(正)/V（BR）(反)≤1.1，一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压 VC 就会立刻被抑制掉，双向 TVS 在交流回路应用十分方便。

三、TVS 器件的主要电参数1、 击穿电压 V(BR)器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流 I(BR)下，测得器件两端的电压称为击穿电压，在此区域内，二极管成为低阻抗的通路2、 最大反向脉冲峰值电流 IPP在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流IPP 与最大箝位电压 VC(MAX)的乘积，就是瞬态脉冲功率的最大值 使用时应正确选取 TVS，使额定瞬态脉冲功率 PPR 大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS 被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态因此，TVS 能抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子线路峰值电流波形A、正弦半波 B、矩形波 C 、标准波（指数波形） D、三角波 TVS 峰值电流的试验波形采用标准波（指数波形），由 TR/TP 决定峰值电流上升时间 TR:电流从 0.1IPP 开始达到 0.9IPP 的时间半峰值电流时间 TP：电流从零开始通过最大峰值后，下降到 0.5IPP 值的时间下面列出典型试验波形的 TR/TP 值：A、EMP 波:10ns /1000ns B、闪电波：8μs /20μs C、标准波：10μs /1000μs3、 最大反向工作电压 VRWM（或变位电压）器件反向工作时，在规定的 IR 下，器件两端的电压值称为最大反向工作电压 VRWM。

通常 VRWM=（0.8~0.9）V(BR)在这个电压下，器件的功率消耗很小使用时，应使 VRWM 不低于被保护器件或线路的正常工作电压4、 最大箝位电压 VC(max )在脉冲峰值电流 Ipp 作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压使用时，应使VC(max )不高于被保护器件的最大允许安全电压最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数即：箝位系数=VC(max )/V(BR)一般箝位系数为 1.3 左右5、 反向脉冲峰值功率 PPRTVS 的 PPR 取决于脉冲峰值电流 IPP 和最大箝位电压 VC(max )，除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关当脉冲时间 Tp 一定时，PPR=K1‧‧‧‧‧‧K2‧VC(max )‧Ipp式中 K1 为功率系数，K2 为功率的温度系数 典型的脉冲持续时间 tp 为 1MS，当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间 tp 比标准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随 tp 的缩短而增加TVS 的反向脉冲峰值功率 PPR 与经受浪涌的脉冲波形有关，用功率系数 K1 表示E=∫i(t)‧V(t)dt式中：i(t)为脉冲电流波形，V(t) 为箝位电压波形。

这个额定能量值在极短的时间内对 TVS 是不可重复施加的但是，在实际的应用中，浪涌通常是重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比 TVS 器件可承受的脉冲能量要小得多，但若重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，在某些情况下，也会超过 TVS 器件可承受的脉冲能量因此，电路设计必须在这点上认真考虑和选用 TVS 器件，使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至超过 TVS 器件的脉冲能量额定值6、 电容 CPPTVS 的电容由硅片的面积和偏置电压来决定，电容在零偏情况下，随偏置电压的增加，该电容值呈下降趋势电容的大小会影响 TVS 器件的响应时间7、 漏电流 IR当最大反向工作电压施加到 TVS 上时，TVS 管有一个漏电流 IR，当 TVS 用于高阻抗电路时，这个漏电流是一个重要的参数第二章 TVS 选用原则在选用 TVS 时，必须考虑电路的具体条件，一般应遵循以下原则：一、 大箝位电压 VC（MAX）不大于电路的最大允许安全电压二、 最大反向工作电压（变位电压）VRWM 不低于电路的最大工作电压，一般可以选 VRWM等于或略高于电路最大工作电压三、 额定的最大脉冲功率，必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。

下面是 TVS 在电路应用中的典型例子：TVS 用于交流电路：见图 2-1，这是一个双向 TVS 在交流电路中的应用，可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用TVS 的箝位电压不大于电路的最大允许电压图 2-2 所示，是用单向 TVS 并联于整流管旁侧，以保护整流管不被瞬时脉冲击穿，选用 TVS 必须是和整流管相匹配图 2-3 所示电路中，单向 TVS1 和 TVS2 反接并联于电源变压器输出端或选用一个双向 TVS，用以保护整流电路及负载中的元器件TVS3 保护整流以后的线路元件，如电源变压器输出端电压为 36 伏时一般 TVS1 和 TVS2 的工作电压 VR 应根据 36× 来选择，其它参数依据电路中的具体条件而下TVS 用于直流电路，图 2-4 所示 TVS 并联于输出端，可有效地保护控制系统TVS 的反向工作电压应等于或略高于直流供电电压，其它参数根据电路的具体条件而定图 2-5 所示为两个单向 TVS 连接在电源线路中，用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏当电路连接有感性负载，如电机、断电器线圈、螺线管时，会产生很高的瞬时脉冲电压。

图 2-6 中的 TVS 可以保护晶体管及逻辑电路，从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络图 2-7 电路中 TVS 起保护和电压限制的作用直流电中选用举例：整机直流工作电压 12V，最大允许安全电压 25V（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 50A选择：1、先从工作电压 12V 选取最大反向工作电压 VRWM 为 13V，则击穿电压 V（BR）= =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；3、再从箝位电压 VC 和最在峰值电流 IP 计算出方波脉冲功率：PPR=VC×IP=20×50=1000W4、计算折合为 TP=1MS 指数波的峰值功率，折合系数 K1=1.4，PPR=1000W÷1.4=715W从手册中可查到 1N6147A 其中 PPR=1500W，变位电压 VRWM=12.2V，击穿电压 V（BR）=15.2V，最大箝位电压 VC=22.3V，最大浪涌电流 IP=67.3A可满足上述设计要求，而且留有一倍的余量，不论方波还是指数波都适用交流电路应用举例：直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管，交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。

交流是电网电压，这里产生的瞬变电压是随机的，有时还遇到雷击（雷电感应产生的瞬变电压）所以很难定量估算出瞬时脉冲功率 PPR但是对最大反向工作电压必须有正确的选取一般原则是交流电压乘 1.4 倍来选取 TVS 管的最大反向工作电压直流电压则按 1.1—1.2 倍来选取TVS 管的最在反向工作电压 VRWM图 2-8 给出了一个微机电源采用 TVS 作线路保护的原理图，由图可见：1、 在进线的 220V~处加 TVS 管抑制 220V~交流电网中尖峰干扰2、 在变压器进线加上干扰滤波器，滤除小尖峰干扰3、 在变压输出端 V~=20V 处又加上 TVS 管，再一次抑制干扰4、 到了直流 10V 输出时还加上 TVS 管抑制干扰其中：双向 TVS 管 D1 的 VRWM=220V~×1.4=308V 左右双向 TVS 管 D2 的 VRWM=20V~×1.4=28V 左右单向 TVS 管 D3 的 VRWM=10V~×1.2=12V 左右经过如上四次抑制，变成所谓的“净化电源”，还可以加上其它措施，更有效地抑制干扰，防止干扰进入计算机的 CPU 及存贮器中，从而提高微机系统的应用可靠性从失效统计概率可知：微机系统产生 100 次故障，其中 90 次来自电源，10 次是微机本身，可见电源的可靠性最重要，要提高整机可靠性，首先应提高电源的可靠性。

第三章 TVS 应用实例TVS 在美国应用十分广泛，特别是在军事电子装备中非常重视，美国军标不但出牌了不少 TVS 器件的标准，同时路应用方面也有军标，如 MIL-HDBK-978B《宇航用电子元器件手册》中第 4.8 节为“双极型瞬变电压抑制器”，文中列出不少 TVS 的应用实例MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性手册》中第 7.4.4 节为“瞬态和过应力保护”，文中也谈到了TVS 的应用TVS 在国内的应用，正处于推广应用的阶段，为了加深电路设计人员对 TVS 的认识，提高国产整机的可靠性，现将上述两个美国军标中译出的部分资料整理成文，推荐给广大电路设计人员参考使用一、 TVS 在微机中的应用实例一个典型的微机系统，通过电源线、输入线、输出线进入的各种干扰或瞬变电压，可能使微机误动作出故障，特别是来自开关电源，微机近旁的电动机的开与关、交流电源电压的浪涌和瞬变、静电放电等场合都可能使系统产生误动作，严重时还可能损坏器件将瞬变电压抑制二极管接到微机的电源线输入和输出线上，可防止瞬变电压进入“微机”总线，加强微机对外界干扰的抵抗能力，保证微机正常工作，提高其应用可靠性使用 TVS 管的量是很多的。

二、 TVS 管保护开关电源实例对开关电源设计师来讲，必须对影响开头电源的三种瞬变类型进行保护：1、 由负载变化引起的瞬变电压（电感负载）；2、 由电源线引入的瞬变电压；3、 由开关电源内部发生的瞬变电压由于电源中需要保护的典型元器件有：1、 高反压开关晶体管（VMOS 管）2、 高压整流器（高压流整流二极管）3、 输出整流器（输出大电流整流二极管）4、 内部控制电路（脉宽调制器等）典型开关电源中应用 TVS 的实例，由图可见共有八个 TVS 管，各自保护自已的对象，当然八个 TVS 管的特性也不同，从“击穿电压”、“最大脉冲峰值功率”、“脉冲峰值电流”到“箝位电压”等都有区别美国 HP 公司某仪器使用的开关电源，从图中可以看到该电源中所有瞬变电压抑制二极管的数量及情况国外应用 TVS 是非常普遍的，而且数量也是很多的，可见 TVS 对提高整机应用可靠性是至关重要的三、 TVS 保护直流稳压电源实例一个直流稳压电源，并有扩大电流输出的晶体管，在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以。