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关于TVS二极管,你不能不知道的三大特性

出处:电子发烧友网 发布于:2019-05-06 14:03:08 | 365 次阅读

  二极管,又称瞬态抑制二极管,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。在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现。


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  TVS二极管的应用:
  1/ 在交流电路中的应用
  图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲,从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。


  图1 双向TVS在交流电路中的应用电路
  2/ 用TVS保护直流稳压电源
  图2是一个直流稳压电源,在其稳压输出端加上TVS,可以保护使用该电源的仪器设备,同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压,从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管,这样可以大幅度地提高整机的可靠性。


  图2 TVS保护直流稳压电源
  3/ 用TVS保护晶体管电路
  各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏,特别是晶体管集电极有感性(线圈、变压器、电动机)负载时,通常会产生高压反电势,因而可能使晶体管损坏。在实际应用中,建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例。


  图3 TVS保护晶体管电路
  4/ 用TVS保护集成运放
  集成运放对外界电应力非常敏感。因此,在使用运放的过程中,如果因操作失误或采取了不正常的工作条件,往往会出现过大的电压或电流,特别是浪涌和静电脉冲,从而很容易使运放受损或失效。图4所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。


  图4 TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路
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  TVS管与其他电路保护元件对比
  1/ TVS二极管与稳压二极管:
  TVS二极管和稳压二极管在电路都是反向接入,也就是利用它的反向特性,利用PN结雪崩效应,在反向击穿前均有一个临界电压,在反向接入电路都具有稳压作用,但是也不尽相同,稳压二极管利用的是把输入电压固定在某个数值,而TVS二极管主要是防止瞬态高压对后级电路进行钳位;
  稳压二极管一般不会讲响应时间,更多的是关注稳压值,但是对于TVS二极管不一样,它的特性决定着它拥有不同的作用,TVS二极管具有瞬态抑制高能量作用,因此要求在较短时间内把较高能量瞬间吸收,因此这个时间很短,达到纳秒级别;
  稳压二极管的功率一般不是很大,常见的稳压二极管有1W、2W等,它的功率由它所允许的温升决定,实际是稳定电压与电流的乘积,例如对于稳压二极管1N4742A,它的功率最大只有1W,稳压值是12V,那么通过它的电流一般不能超过80mA,要不然管子会发热的厉害;对于TVS二极管,它讲究的是瞬时脉冲功率,这个功率值很高,能达到上千瓦,只是这个时间值维持很小。
  稳压二极管 MMSZ5231B-7-F
  Vz=5.1V,0.5W,±5%
  2/ TVS二极管与压敏电阻、气体放电管:
  在反应时间上,压敏电阻介于TVS管和气体放电管之间,TVS管为皮秒级,压敏电阻略慢,为纳秒级;而气体放电管最慢,通常为几十个纳秒甚至更多。
  在通流容量上,压敏电同样介于TVS和气体放电管之间,TVS管通常只有几百A;而压敏电阻按不同规格,可通过数KA到数十KA的单次8/20uS浪涌电流;而对于气体放电管来说通常十KA级别8/20uS浪涌电流可导通数百次。
  从原理上看,TVS管基于二极管雪崩效应;压敏电阻器基于氧化锌晶粒间的势垒作用;而气体放电管则是基于气体击穿放电。
  在电压范围方面,TVS管通常为5.5V到550V;压敏电阻的范围较宽,可从10V到9000V;而气体放电管可从75V到3500V。
  TVS管的非线性特性和稳压管一样,击穿前漏电流很小,击穿后是标准的稳压特性,比起压敏电阻来TVS管最大箝位电压偏离击穿电压较小,优于压敏电阻,但通流能力比压敏电阻较小。
  压敏电阻能承受更大的浪涌电流,而且其体积越大所能承受的浪涌电流越大,最大可达几十kA到上百kA;但压敏电阻的非线性特性较差,大电流时限制电压较高,低电压时漏电流较大。


  

 

     上图:压敏电阻 V0603MHS12NH
  55V 0603
  3/ TVS二极管与陶瓷电容
  很多设计人员愿意采用表面贴装的陶瓷电容作ESD 保护,不但便宜而且设计简便,但这类器件对高压的承受力却比较弱。5kV 的冲击会造成约10%陶瓷电容失效,到10kV 时,损坏率达到60%,而TVS二极管可以承受15kV 电压。在手持设备的使用过程中,由于与人体频繁接触,各个端口必须至少能够承受8kV 接触冲击(IEC61000-4-2 标准),可见使用TVS二极管可以有效保证最终产品的合格率。


  上图:陶瓷电容  CL21B104KACNNNC
  4/ TVS二极管与MLV:
  多层金属氧化物结构器件(MLV)也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制,此类器件具有非线性电压-电流(阻抗表现)关系,截止电压可达最初中止电压的2~3 倍,这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的保护,如电源回路。而TVS瞬态抑制二极管具有更好的电压截止因子,同时还具有较低的电容,这一点对于手持设备的高频端口非常重要,因为过高的电容会影响数据传输,造成失真或是降级。
  5/ 结语
  TVS瞬态抑制二极管的各种表面封装均适合流水线装配的要求,而且芯片结构便于集成其它的功能,如EMI 和RFI过滤保护等,可有效降低器件成本,优化整体设计。
  另一个不能忽略的特点是二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上,现有很多将EMI 过滤和RFI 防护等功能与TVS 集成在一起的器件,不但减少设计所采用的器件数目降低成本,而且也避免PCB板上布线时易诱发的伴生自感。

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