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摘要：為了解決雷電、電網開關操作、低壓電源線上各類設備的起停操作及靜電放電、電快速瞬變脈沖群等危險浪涌電壓會影響電子設備的正常工作，甚至燒毀電路及設備等致命危害的問題。 鑒于此本文通過分析TVS器件的特性和主要參數及其工作原理，提出了TVS可以有效的保護TN電源系統、直流電源、信號線路及晶體管集成電路等，其應用范圍廣，且安全可靠，同時給出了TVS器件在各種電路設計中的典型應用保護電路。應用時應當針對不同的保護對象及電路的相關參數來選用適配元件。 0 引言 電網中的工頻過電壓、諧振過電壓及瞬態過電壓，包括操作過電壓和雷電過電壓，這些危險浪涌能量無法瀉放或吸收，而侵入電氣設備內部電路，就能影響電子設備的正常工作，甚至會燒毀電路；而集成數字電路容易受ESD/EFT（靜電放電/電快速瞬變脈沖群）等浪涌電壓干擾，可能會造成工作異常、死機，甚至損壞并引發其他的安全問題。利用TVS器件對電路進行精細保護，可有效地使電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。本文對TVS器件的特性及應用作詳細分析與研究有重要意義。 1 TVS 的結構及分類 TVS 瞬態電壓抑制器是在穩壓二極管的基礎上發展而來的，是一種二極管形式的新型高效能保護器件。 TVS通常采用二極管式的軸向引線封裝結構，TVS的核心單元是芯片，芯片主要材料為半導體硅片或曬片，芯片有單極型和雙極型兩種結構，單極型TVS有一個PN結，雙極型TVS有兩個PN結。TVS芯片的PN結經玻璃純化保護由引線引出，再經改性環氧樹脂封裝制成。 TVS瞬態電壓抑制器有單極性與雙極性之分，單極性只對一個方向的浪涌電壓沖擊起保護作用，雙極性瞬態二極管對相反的極性浪涌電壓沖擊都起保護作用，相當于兩只穩壓管反向串聯，它優點是結電容小，響應時間短，功率大。單向TVS多用于直流和已知方向的信號電路，雙極性TVS 多用于交流和變化的信號電路，TVS陣列多用于多線保護。TVS管也可以與二極管串聯，利用二極管寄生電容較小的特點來降低總寄生電容，可以實現對高速信號端口的保護。TVS串行接入電路可以分電壓，并行接入可以分電流，但在應用中應控制串/并數量，TVS在應用過程中必須考慮環境溫度及溫度變化情況對TVS特性的影響，因為溫度上升會使TVS反向漏電流增加，功耗下降。另外，TVS按峰值功率可分為500 W,1 000 W,1 500 W,5 000 W等多種型號。 2 TVS 的主要參數及選用 2.1 最小擊穿電壓VBR 最小擊穿電壓VBR 等于1 mA 的測試電流通過TVS時，TVS 兩極的電壓值。VBR 根據其與標準值的離散程度分為兩種：VBR（5%）與VBR（10%）。 2.2 額定反向工作電壓VWM TVS反向工作時，在規定的IR條件下，TVS兩極的電壓值稱為額定反向工作電壓VWM.一般情況，VWM=（0.8~0.9）VBR,離散度為5%的TVS,VWM=0.85VBR（5%）；離散度為10%的TVS,VWM=0.81VBR（10%）。VWM值的選擇要適中，VWM值既要大于等于US（最大持續工作電壓），又要與US值相接近，選擇太大或太小都不能安全可靠保護電路。 2.3 最大反向脈沖峰值電流IPP TVS 反向工作時，在規定的脈沖條件下，TVS 允許通過的最大峰值脈沖電流稱為最大反向脈沖峰值電流，峰值脈沖電流IPP應大于電路瞬態浪涌電流。 2.4 最大鉗位電壓VC 當脈沖峰值電流IPP流過TVS時，其兩極的最大峰值電壓為最大鉗位電壓。VC為TVS的電壓保護水平，是選用TVS 十分關鍵的參數，應小于被保護電路耐壓水平UW,否則TVS 將失去保護作用。TVS 鉗位系數等于VC VBR ,鉗位系數取值一般在1.2~1.4范圍內。 2.5 峰值脈沖功率Ppp 峰值脈沖功率等于TVS允許通過的最大峰值脈沖電流IPP 與最大箝位電壓VC 的乘積。Ppp 值與脈沖波形、脈沖時間及環境溫度有關。在應用中要根據電路的特性和工作環境確定電路預期瞬態浪涌電流及可能出現的瞬態浪涌脈沖功率，峰值脈沖功率Ppp 應考慮20%的安全裕量，據此確定TVS額定脈沖功率Pppm.額定脈沖功率應大于被保護器件或線路可能出現的峰值脈沖功率。同時，電路設計必須認真考慮重復施加脈沖能量的累積，其能量不應超過TVS器件的脈沖能量額定值。 2.6 電容C TVS的電容量由其芯片的面積和偏置電壓來確定，其偏置電壓與電容值C 成反比。在應用中要根據電路持性選擇合適的電容范圍，電容大會使信號損失，對信號起調制作用，引起干擾。 2.7 反向漏電流ID 當額定反向工作電壓VWM 加于TVS兩極時，TVS處于反向關斷狀態，流過TVS 的電流稱為反向漏電流，ID值應小于或等于其最大反向漏電流。 2.8 鉗位響應時間TC 鉗位響應時間是指TVS兩極電壓從零升至最小擊穿電壓VBR的時間，TVS的TC小于1×10-12 s,僅為1 ps. 3 TVS 的特性分析 3.1 TVS的伏安特性 TVS能保護晶體管電路，是靠伏安特性起箝位作用，見圖1.當TVS管電壓為反偏，且位于0~VBR時，TVS管呈高電阻狀態；當反偏電壓超過VBR時，流經TVS管電流迅速增加，進入低電阻導通狀態，從高電阻狀態到低電阻狀態延時只有ps數量級。TVS管兩端電壓被箝制在VC以下，經過電壓脈沖過后，TVS管又恢復高阻狀態。 3.2 TVS的鉗位特性 TVS屬限壓型浪涌保護器件，能對過電壓起鉗位作用，將浪涌電壓限制在安全耐壓范圍內，從而保護后面的負載電路。根據電路的基本理論，按照環路電壓分析法，從圖2可以看出，電路的輸出電壓Voutput可由式（1）得到：
若設浪涌電壓Vg為8 kV,Rg為330 Ω，RS為0.14 Ω，TVS的VBR為6 V,則i≈24 A,那么由式（1）得Voutput=10 V. 利用TVS的鉗位特性，將8 kV危險浪涌電壓削減到10 V的安全電壓。需要注意的是，以上電路應滿足Rg>RS+RLoad>RS這一條件。 4 TVS 的應用 4.1 TVS在TN電源系統的應用 雷電過電壓波、負載開關等人為操作錯誤引起的過電壓容易通過供電線路侵入電氣電子設備內部，造成電氣電子設備失效、誤動作，甚至造成設備的永久性損壞，造成嚴重經濟損失。通過在電源線路上安裝浪涌吸收裝置MOV 和TVS,實施兩級保護，并對L、N 線進行共模、差模保護。具體做法是在線路的前端安裝MOV 作為第一級SPD保護，泄放大部分雷電流，在線路的末端（設備前端）安裝大功率TVS作為第二級SPD保護，進一步削弱過電壓波幅值，將電網電壓降至E/I安全耐壓范圍之內，如圖3所示。要注意的是，MOV與TVS應達到電壓和能量的協調與配合，AB之間的線路長度不應小于5 m,否則應增加線路長度或安裝退耦器件。 4.2 TVS在網絡信號線路的應用 TVS不僅可以用于電源系統的浪涌防護，還可以用于信號線路的浪涌保護，采用氣體放電管GDT 與TVS管組合成信號浪涌保護器，其特點是反應快，漏流小，幾乎對信號無損耗，可以對高速網絡線路提供安全、可靠的保護，如圖4所示。 4.3 TVS在直流電源系統的應用 圖5 為一臺普通PC 電腦的供電電源電路，市電AC 220 V經過變壓器降壓至AC 20 V,再經調制整流電路，輸出DC 10 V 直流電源，接入負載。通過在變壓器輸出端安裝雙向瞬態電壓抑制器TVS1,吸收L 及N 線的瞬時沖擊脈沖電流，將電路電壓箝制在安全電壓水平，TVS1可以保護變壓器后端整流器及其他電路元器件。在整流器后的直流電源輸出端安裝單向瞬態電壓抑制器TVS2,用于保護直流負載免受過電壓電電流沖擊。 4.4 TVS在晶體管電路的應用 晶體三極管作為電流控制型器件，是電子集成電路中的重要組成部分，可分為NPN 管和PNP 管[5]兩類，應用于開關電路、放大電路和穩壓電路。為了使晶體管電路免受ESD/EFT（靜電放電/電快速瞬變脈沖群）等浪涌電壓的干擾，在電路的輸入端和輸出端分別加入TVS1、TVS2進行保護，其保護電路如圖6所示。 4.5 采用TVS保護TTL邏輯電路 TTL 電路是晶體管？晶體管邏輯電路的簡稱，是目前使用最廣泛的一種門電路，通過輸入高低電平[5],實現邏輯功能。它由三部分組成，即輸入級（發射極晶體管V1 和基極電阻R1）、倒相級（V2 管和電阻R2,R3）、輸出級（V3,V4,V5和電阻R4,R5）。對于TTL邏輯電路的浪涌防護，主要通過在輸入級A,B 端分別加入TVS1 和TVS2 進行保護，在電路的輸出端“L”加入TVS4 進行保護，在直流電源UCC端加入TVS3進行保護，可以有效抑制各種瞬變過電壓對晶體管的EB 結或CE 結擊穿而損壞。圖7為TTL“與非”門的典型保護電路。 4.6 采用TVS保護MOS集成電路 MOS 集成電路的基本原件是MOS 晶體管，MOS 管有源極S、漏極D、柵極G三個電極，是電壓控制元件，用變化的柵漏電壓來控制漏源電流，MOS管分為P型MOS管和N型MOS管兩種。由NMOS管和PMOS管組成的互補型MOS電路稱為CMOS電路，它能對輸出端的電容提供一個快速充放電回路，功耗小，工作速度較高，具有較強的負載能力及抗干擾能力，在數安集成電路中得到越來越廣泛的應用。圖8為COMS反相器保護電路圖，在電路的輸入端Ui、輸出端Uo及電源電壓UDD分別加入TVS3,TVS2,TVS1,從而保護晶體管電路及后面的負載元件。 5 結語 （1）TVS具有響應快、功率大、極間電容和體積小、無漏流、應用領域廣等優點，可有效地保護TN 電源系統、直流電源、信號線路及晶體管集成電路等，可抑制共模/差模浪涌沖擊和ESD/EFT等瞬態浪涌電壓的干擾。 （2）電路設計應考慮被保護電路的特性、工作環境及TVS的VC,IPP,VWM,VBR,Ppp等相關參數選擇適配的TVS保護器件，TVS接入電路應不影響電路的正常運行，能安全泄放預期瞬態浪涌電流，將危險電壓鉗位于電路安全耐壓值以內。 |
