TVS管原理和电容作用.docx

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TVS管原理和电容作用

TVS管原理和电容作用

TVS管

1．原理

TVS管有单方向（单个二极管）和双方向（两个背对背连接的二极管）两种。

单方向的TVS管的电路符号与普通的稳压管相同，其电压－电流特性曲线如图1所示，其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。

图2是单向TVS的电流-时间和电压-时间曲线。

图3是双向TVS管的电路图形符号。

图1TVS电压－电流特性

图2TVS电压（电流）时间特性

TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。

按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。

对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。

1）最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。

当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。

VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。

VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。

2）电容量C。

电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz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。

3）最大峰值脉冲功耗PM。

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。

而且，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，有可能损坏TVS。

4）箝位时间TC。

TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。

对单极性TVS小于1×10-12s；对双极性TVS小于10×10-12s。

2．分类

TVS器件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以达到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的场合。

对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。

3．选型

1）确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和最大可承受电压。

2）TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。

若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。

3）TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

4）在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。

在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

一般TVS的最大峰值脉冲功率是以10/1000ms的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。

如某600WTVS，对1000ms脉宽最大吸收功率为600W，但是对50ms脉宽吸收功率就可达到2100W，而对10ms的脉宽最大吸收功率就只有200W了。

而且吸收功率还和脉冲波形有关：

如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％，若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％。

5）平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。

举例说明，在一功率开关电路中会产生120Hz，宽度为4ms，峰值电流为25A的脉冲群。

选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到11.2V。

此中平均稳态功率的计算为：

脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积，即280×（0.000004S/0.0083S）=0.134W。

也就是说，选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。

6）对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。

7）根据用途选用TVS的极性及封装结构。

交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。

8）温度考虑瞬态电压抑制器可以在－55℃~＋150℃之间工作。

如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。

因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

4．注意事项

1）对瞬变电压的吸收功率（峰值）与瞬变电压脉冲宽度间的关系。

手册给的只是特定脉宽下的吸收功率（峰值），而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。

对宽脉冲应降额使用。

2）对小电流负载的保护，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，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。

这就有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。

3）对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

4）作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。

特别要注意TVS管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。

当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。

串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。

而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。

5）TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。

5．注：

对TVS管的瞬间保护作用，有的资料上说是发生了齐纳击穿，有的说是雪崩击穿，笔者采用的观点是雪崩击穿。

从而将稳压管（齐纳二极管）与TVS管区分。

基本上参照了【周立敏――TVS瞬态干扰抑止管性能与应用】

电容的作用:

1）旁路

旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。

就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。

为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。

这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。

地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

2）去耦

去耦，又称解耦。

从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。

如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。

去耦电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

将旁路电容和去耦电容结合起来将更容易理解。

旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。

高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

这应该是他们的本质区别。

3）滤波

从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。

但实际上超过1μF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。

有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。

电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。

电容越大低频越容易通过。

具体用在滤波中,大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。

曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。

由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。

它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。

滤波就是充电，放电的过程。

4）储能

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。

电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150000μF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。

根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。