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TVS二极管_瞬态抑制二极管

发布: 2020/1/12 13:36:59

TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管,又称为瞬态抑制二极管,是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

  • 中文名称

    瞬态抑制二极管

  • 外文名称

    Transient Voltage Suppressor

  • 箝位响应时间

    1ps(10^-12S)

 

  • 正向浪涌电流

    50~200A

  • 瞬时脉冲功率

    达上千瓦

TVS二极管与常见的稳压二极管的工作原理相似,如果高于标志上的击穿电压,TVS二极管就会导通,与稳压二极管相比,TVS二极管有更高的电流导通能力。TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,以10^-12S 量级速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,同时吸收高达数千瓦的浪涌功率。使两极间的电压箝位于一个安全值,有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏。

特点

一、 TVS器件的工作原理

瞬态(瞬变)电压抑制二极管简称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T =25℃,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。

电特性
1、单向TVS的V-I特性,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,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。

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10%IPP开始达到90%IPP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 /1000μs
3. 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位系数。
即:箝位系数=Vc(max )/V(BR) 一般箝位系数为1.3左右。 最大箝位电压VC(max )的测试方法见4.4。
5.反向脉冲峰值功率PPR TVS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,各种浪涌波形的K1值如表1所示。
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CPP TVS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。

8.TVS器件分类:

按极性可分为:单极性和双极性两种;

按用途可分为:通用型和专用型;

按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。

轴向引线的产品峰值功率可达400W、500W、600W、1500W和5000W。

其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装场合。对于高密度安装的场合,也可以选择双列直插和表面贴装等封装形式。

选用
在选用TVS时,应考虑以下几个主要因素:
(1)若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时,应当选用双极性的,否则可选用单极性。
(2)所选用TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压,也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压,它不能大于被保护回路的可承受极限电压,否则器件面临被损坏的危险。
(3)TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态,最好处于VR以下,应综合考虑VR和VC两方面的要求来选择适当的TVS。
稳压管
(4)如果知道比较准确的浪涌电流IPP,则可利用VCIpp来确定功率;如果无法确定IPP的大致范围,则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。 (5)TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,不然有可能损坏TVS。
(6)对于小电流负载的保护,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,一般不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。但这样可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
(7)电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据/信号频率越高的回路,二极管的电容对电路的干扰越大,形成噪声或衰减信号强度也大,因此,需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS,电容不大于3 pF),而对电容要求不高的回路,电容的容量选择可高于40pF。
(8)为了满足IEC61000-4-2国际标准,TVS二极管必须达到可以处理最小8 KV(MB,接触)和15 kV(BM,空气)的ESD冲击,有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用,设计者可以按需要挑选器件。

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