1. 電路中為啥要加TVS
顧名思義,TVS(Transient Voltage Suppressor),就是對電路中短暫存在的高電壓進行抑制,以免此高電壓對電路造成損害,或導致電路工作異常。那么工作的好好的電路中,怎么會突然出現瞬時高電壓呢?主要有以下原因:
ESD,積累的靜電突然釋放到電路中。人們用手觸摸到設備,身上的靜電打壞設備,是最常見的一種方式。除了人體,各種沒有連到大地的物體,都可能會積累靜電。我們把電路板設計好,怎么知道它在關鍵時刻能不能頂得住呢?總不能用手摸來摸去,看它壞沒壞。這就有了抗靜電實驗標準IEC61000-4-2,其中人體模型HBM(Human Body Model)用來模擬人體放電,機器模型MM(Machine Model)用來模擬金屬等物體放電,其中分為不同的嚴苛等級。
我們知道:
對于電容 i=c*du/dt 電壓的突變,會導致大的感生電流
對于電感 u=L*di/dt 電流的突變,會導致大的感生電壓
大的容性負載,感性負載,電機,繼電器的動作,常常會在電路中感生出數百伏的高電壓。如果源端是感性的,比如汽車里發電機給蓄電池充電,把蓄電池突然拿掉(電流瞬間突變到0),也會在電路中感生出高電壓。高頻的電流跳變,所產生的電磁場,通過空間傳播,在臨近的電路中也能感生出尖峰電流。
閃電,毫無疑問,如果電路板被閃電直接擊中,那一定是被秒殺。而如果電路板有金屬外殼,然后用粗的導電金屬帶連到大地,那應該沒問題。但是電路板一般通過外部接入220V供電,或者有通訊電纜連出來,那情況就很危險了,即使沒被直接擊中,由于強烈的電磁場感生出的電壓,也足以造成滅頂之災。
2. 如何選擇防護器件
對于雷擊這種事件,需要在線路中依次放置放電管,壓變電阻,TVS,才能較好的防護。放電管和壓變電阻動作慢一些,但可以承受大電壓,大電流,作為第一級防護。TVS反應超快,可以作為第二級防護。當然對于一般的應用來說,最主要的還是對ESD和感生瞬變電壓的防護。
我們設計一個產品,首先要明確,需要通過哪些標準,以及過什么等級。下面是最常采用的幾個標準:
IEC 61000-4-2 靜電放電抗擾度;
IEC 61000-4-4 電快速瞬變脈沖群抗擾度;
IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度;
對于ESD靜電放電(IEC 61000-4-2)來說,它的電壓上升時間非常短(1ns左右),所以要求保護器件動作要非常迅速,而一個有利因素是,測試時放電間隔,一般會大于1S,所以不會有太多的能量沖擊,這和實際情況比較相符。而對于快速脈沖群(IEC 61000-4-4)來說,它的電壓上升時間比靜電稍慢一些(5ns左右),但是重復頻率特別高,大家在上面表里可以看到, 1秒鐘之內,最少也有5千個高壓脈沖,所以它對保護器件能經受的功率要求要大一些。
對于IEC61000-4-5,浪涌測試來說,它的能量要大得多。倒不是因為它的電壓有多高,而是因為它的脈沖寬度(數百微秒),是靜電放電脈沖寬度(數十納秒)的上千倍。我們選擇保護器件,就要根據需要過的測試標準,有針對性地進行選擇。
3. 認識TVS
我們知道對于二極管,一般來說,PN結加正向電壓時導通,加反向電壓時截止。說了一般,那肯定還有二般情況,就是反向電壓超過一個限制后,二極管就不再是截止狀態了,而是會發生雪崩擊穿,或齊納擊穿,也可能兩者都有。此時,反向電阻很小,導通電流很大,電壓被鉗制在一個比較固定的水平。TVS就是利用這一特性,來對后級電路進行保護。
TVS分為單向保護管(用于直流電路保護),和雙向保護管(用于交流電路保護)。那么我們以Wayon一款雙向TVS為例,來了解一下它的關鍵參數。
圖片來源于Wayon TVS手冊
TVS主要參數
Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作電壓,或者說截止電壓。就是說,加這個電壓時,管子仍然是截止的,或者說漏過去的電流非常小,通常1nA 左右。那么超過這個最高工作電壓,會怎么樣呢?這里要注意,電壓超過Vrwm后,TVS并不會馬上動作,也不像有的文章說的會劣化,損壞,而是漏電流增加的速度快一些。
VBR(Breakdown Voltage) 擊穿電壓。當電壓超過此電壓,漏電流開始急劇增加。這里所謂擊穿,不能理解為器件損壞,而是正常動作。
Vc (Clamping Voltage) 鉗位電壓。這也是一個重要指標,就是當一個電壓很高的脈沖來了,TVS器件從截止狀態,變為導通狀態,電壓被鉗制在一個比較低的水平,電流從TVS通過,回流到地,從而保護了后級電路。
Ipp(Peak Pulse Current) 峰值脈沖電流。器件所能承受的最大脈沖電流。注意是脈沖,脈沖,脈沖,重要的事情說三遍。如果連續通過這么大的電流,馬上死翹翹。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我們評估器件時,如果脈沖寬度比較窄,那么最大電流可以超過Ipp,相反,如果脈沖寬度比較寬,電流小于Ipp 也會造成器件損壞。
Cj(Junction Capacitor) 結電容。低速電路不用管,如果是高速電路,這個電容會導致信號變形。此電容越小越好。
我們結合一個器件手冊看一下:
超過峰值功率/電流,會引起器件損壞。
資料來源于Wayon TVS產品手冊
這里有爭議的可能是Vrwm,也就是截止電壓。如果工作電壓是5V,那么選TVS器件的時候可以選Vrwm=5V的器件嗎?我們的意見是可以選。理由是我們可以從特性曲線看到,即使工作電壓有波動超過了5V,那漏電流仍然在可以接受的范圍內。比如當電壓波動到5.6V,此時漏電流只有1mA。而且我們在一些官方手冊中,也可以找到例子。比如對于USB端口,電壓5V,就用到了Vrwm=5V的器件。對此,你有什么意見呢?
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:老司機教你選 TVS
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