常用EMC元器件簡介——防護器件

攻城獅華哥

在電子產(chǎn)品中，需要防護的電路主要是電源和信號，所處的位置不同其防護等級和防護方案也不同，介紹三種最常用的防護器件：TVS管，氣體放電管、半導體放電管。

一、瞬態(tài)抑制二極管（TVS）

1、器件特性：

TVS又稱為瞬態(tài)抑制二極管，是半導體硅材料制造成特殊二極管，TVS與被防護電路并聯(lián)使用。電路正常時TVS處于關斷狀態(tài)呈現(xiàn)高阻抗特性，當外界有浪涌沖擊電壓時能以nS量級的速度從高阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩刮�收浪涌功率，使浪涌電壓通過其自身到地，從而保護電路不受侵害。其重要的特性就是相應迅速，作用時間短。

2、伏安特性：

如上圖伏安特性曲線，Vc是鉗位電壓、Vrwm是最高工作電壓，均是TVS選型中非常重要的參數(shù)。在設計選型時為了能夠?qū)Ρ槐Ｗo電路起到保護作用，同時又不能影響后級電路正常工作，Vrwm≥電路正常工作電壓。這樣電路正常工作時，TVS管處于截止狀態(tài)，不對電路產(chǎn)生影響；Vc≤電路可承受的最高電壓，不然二極管遇到瞬態(tài)高壓導通后保持的鉗位電壓比后級電路可承受電壓高會造成后級電路的損傷。如下是在元器件電商平臺查到的DIODES的SMBJ5.0系列規(guī)格參數(shù)，可以看到不同型號的Vc和Vrwm是不同的，根據(jù)需求選型即可。

圖片來源：華秋商城

3、典型應用：

TVS管經(jīng)常應用在485電路、232接口、USB接口、VGA接口等需要防靜電以及熱插拔端口。

如下是一個USB2.0接口典型的防護電路，主要對電源線、差分信號DM/DP進行防護，當從USB接口進來的瞬態(tài)高壓，比如高達幾千伏的靜電耦合到信號線或電源線上時，會觸發(fā)對應線路上TVS D1或D2或D3導通，將瞬間高壓泄放到PGND，從而實現(xiàn)了對后級芯片的保護，防止幾千伏的電壓通過信號線或電源到后級芯片中去燒壞芯片。

二、半導體放電管（TSS）

1、器件特性

半導體放電管是一種小型化、快反應速度和高可靠性的電力電子半導體器件，它具有五層雙端對稱結(jié)構(gòu)的設計。特點如下：

• 反應速度快，有比較低的殘壓；
• 可靠性高，一致性好；
• 使用壽命長，可長時間重復使用；
• 有比較低的結(jié)電容；
  

2、工作模式

半導體放電管的工作模式是：當外加電壓低于其斷態(tài)電壓VDRM時，半導體放電管的漏電流極小，相當于開路；當外電壓大于VDRM時，開始發(fā)生擊穿；當外電壓進一步加大后，半導體放電管的兩端變成導通狀態(tài)，相當于短路，可以泄放很大的電流；當外電壓撤去以后，管子即可恢復斷態(tài)。

如上半導體放電管的泄放示意圖，A是模擬的雷擊電壓波形，B為半導體放電管擬制后的電壓波形。

3、典型應用

半導體放電管主要應用在485電路、視頻接口、XDSL、電話接口等需要防雷保護的接口。

如下是某DSL電話口使用半導體放電管TSS進行防護的案例。

三、氣體放電管（GDT）

1、器件特性：

氣體放電管，Gas discharge tube-GTD，由密封于氣體放電管介質(zhì)的一個或一個以上放電間隙組成的器件，用于保護設備或人身免遭高壓電壓的危害。普遍應用在電子產(chǎn)品中的是陶瓷氣體放電管。主要特點是通流量大、結(jié)電容低、絕緣高等。主要是防止電子產(chǎn)品遭受雷擊。

2、工作過程：

正常處于高阻態(tài)——（外界高壓接入后）——進入輝光狀態(tài)——進入弧光狀態(tài)——（外界高壓消失后）——進入輝光狀態(tài)——恢復高阻態(tài)。

3、典型應用：

氣體放電管主要應用在AC電源、DC電源接口、485電路、視頻接口、XDSL、以太網(wǎng)接口等需要防雷保護的接口。

四、TVS、TSS、GDT三者差異

1、應用領域：

TVS更多應用于電壓較低的接口以及直接針對線路板中重點IC進行保護。比如特別是對IC的ESD防護。

TSS更多應用于電信設備中出現(xiàn)雷擊和包含交流的瞬態(tài)現(xiàn)象的二級保護，比如電話、傳真機、調(diào)制解調(diào)器、程控交換與網(wǎng)絡設備，以及xDSL等模擬和數(shù)字線路。

GDT主要應用在通信產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品、監(jiān)護儀/超聲等醫(yī)療設備的電源口、RS485、網(wǎng)口、光口；消費電子類如機頂盒/電子玩具等的AC電源口、同軸口；電視機/數(shù)碼相機等的AC 電源口、RS485/HDMI。

2、電壓等級劃分：

TVS更多應用于30V以下環(huán)境，大多數(shù)IC芯片端口集成的二極管只能抵御不超過2KV的ESD。而TVS器件重要指標是所能抑止的靜電電壓如15KV(空氣靜電放電電壓)、8KV（接觸靜電放電電壓）。

TSS更多應用于50V以上環(huán)境，典型應用有200V的應用于通信線路；58V的應用程控交換機二次保護電路等。

GDT一般應用在70V-3600V ，主要是防護雷擊。

3、其他對比

• 通流量：TVS < TSS < GDT
• 結(jié)電容：GDT < TSS < TVS
• 響應時間：TVS < TSS < GDT