常用EMC元器件簡(jiǎn)介——防護(hù)器件

攻城獅華哥

在電子產(chǎn)品中，需要防護(hù)的電路主要是電源和信號(hào)，所處的位置不同其防護(hù)等級(jí)和防護(hù)方案也不同，介紹三種最常用的防護(hù)器件：TVS管，氣體放電管、半導(dǎo)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(dǎo)體硅材料制造成特殊二極管，TVS與被防護(hù)電路并聯(lián)使用。電路正常時(shí)TVS處于關(guān)斷狀態(tài)呈現(xiàn)高阻抗特性，當(dāng)外界有浪涌沖擊電壓時(shí)能以nS量級(jí)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(guò)其自身到地，從而保護(hù)電路不受侵害。其重要的特性就是相應(yīng)迅速，作用時(shí)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(shè)計(jì)選型時(shí)為了能夠?qū)Ρ槐Ｗo(hù)電路起到保護(hù)作用，同時(shí)又不能影響后級(jí)電路正常工作，Vrwm≥電路正常工作電壓。這樣電路正常工作時(shí)，TVS管處于截止?fàn)顟B(tài)，不對(duì)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(dǎo)通后保持的鉗位電壓比后級(jí)電路可承受電壓高會(huì)造成后級(jí)電路的損傷。如下是在元器件電商平臺(tái)查到的DIODES的SMBJ5.0系列規(guī)格參數(shù)，可以看到不同型號(hào)的Vc和Vrwm是不同的，根據(jù)需求選型即可。

圖片來(lái)源：華秋商城

3、典型應(yīng)用：

TVS管經(jīng)常應(yīng)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(gè)USB2.0接口典型的防護(hù)電路，主要對(duì)電源線、差分信號(hào)DM/DP進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)從USB接口進(jìn)來(lái)的瞬態(tài)高壓，比如高達(dá)幾千伏的靜電耦合到信號(hào)線或電源線上時(shí)，會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)線路上TVS D1或D2或D3導(dǎo)通，將瞬間高壓泄放到PGND，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)后級(jí)芯片的保護(hù)，防止幾千伏的電壓通過(guò)信號(hào)線或電源到后級(jí)芯片中去燒壞芯片。

二、半導(dǎo)體放電管（TSS）

1、器件特性

半導(dǎo)體放電管是一種小型化、快反應(yīng)速度和高可靠性的電力電子半導(dǎo)體器件，它具有五層雙端對(duì)稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)如下：

• 反應(yīng)速度快，有比較低的殘壓；
• 可靠性高，一致性好；
• 使用壽命長(zhǎng)，可長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)使用；
• 有比較低的結(jié)電容；
  

2、工作模式

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

如上半導(dǎo)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(dǎo)體放電管擬制后的電壓波形。

3、典型應(yīng)用

半導(dǎo)體放電管主要應(yīng)用在485電路、視頻接口、XDSL、電話接口等需要防雷保護(hù)的接口。

如下是某DSL電話口使用半導(dǎo)體放電管TSS進(jìn)行防護(hù)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(gè)或一個(gè)以上放電間隙組成的器件，用于保護(hù)設(shè)備或人身免遭高壓電壓的危害。普遍應(yīng)用在電子產(chǎn)品中的是陶瓷氣體放電管。主要特點(diǎn)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(guò)程：

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

3、典型應(yīng)用：

氣體放電管主要應(yīng)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(hù)的接口。

四、TVS、TSS、GDT三者差異

1、應(yīng)用領(lǐng)域：

TVS更多應(yīng)用于電壓較低的接口以及直接針對(duì)線路板中重點(diǎn)IC進(jìn)行保護(hù)。比如特別是對(duì)IC的ESD防護(hù)。

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

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

2、電壓等級(jí)劃分：

TVS更多應(yīng)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(guò)2KV的ESD。而TVS器件重要指標(biāo)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(yīng)用于50V以上環(huán)境，典型應(yīng)用有200V的應(yīng)用于通信線路；58V的應(yīng)用程控交換機(jī)二次保護(hù)電路等。

GDT一般應(yīng)用在70V-3600V ，主要是防護(hù)雷擊。

3、其他對(duì)比

• 通流量：TVS < TSS < GDT
• 結(jié)電容：GDT < TSS < TVS
• 響應(yīng)時(shí)間：TVS < TSS < GDT