1. 为什么电路中要添加TVS
根据字面意思,TVS(Transient Voltage Suppressor)用于抑制电路中短暂出现的高电压,以防止这些高电压对电路造成损害或导致电路异常工作。那么在正常工作的电路中为什么会突然出现瞬时高电压呢?主要原因如下:
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静电放电(ESD):人们接触设备时,身上的静电突然释放到电路中,这是最常见的情况。除了人体,各种没有接地的物体也可能积累静电。当我们设计好电路板时,怎样才能确定它能够在关键时刻承受得住静电的冲击呢?毕竟我们不能用手摸来测试电路的稳定性。因此,有了抗静电的实验标准IEC 61000-4-2,其中人体模型(HBM,Human Body Model)用于模拟人体放电,机器模型(MM,Machine Model)用于模拟金属等物体放电,分为不同等级的严格程度。
我们知道:
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对于电容,i=c*du/dt,电压的突变会导致较大的感生电流。
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对于电感,u=L*di/dt,电流的突变会导致较大的感生电压。
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大容性负载和感性负载:诸如电机、继电器动作等,在电路中会产生数百伏的高压。如果电路的源端是感性负载,例如汽车充电装置给电池充电,当突然拔掉电池时(电流瞬间变为0),也会在电路中感应出高压。高频率的电流跳变会产生电磁场,在附近的电路中也会感应出尖峰电流。
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闪电:毫无疑问,如果电路板被直接雷击,那将造成严重损害。但如果电路板具有金属外壳,并用粗导电金属带接地,那就应该没问题。然而,电路板通常通过外部连接220V电源,或通过通讯电缆连接到外界。在这种情况下,即使没有被直接雷击,由于强烈的电磁场感应,产生的电压也足以造成巨大危害。
因此,在电路设计中加入TVS元件能够有效地保护电路,在面对瞬时高压时提供稳定和可靠的保护。
2. 如何选择防护器件
对于雷击这种事件,需要在线路中依次放置放电管,压变电阻,TVS,才能较好的防护。放电管和压变电阻动作慢一些,但可以承受大电压,大电流,作为第一级防护。TVS反应超快,可以作为第二级防护。当然对于一般的应用来说,最主要的还是对ESD和感生瞬变电压的防护。
我们设计一个产品,首先要明确,需要通过哪些标准,以及过什么等级。下面是最常采用的几个标准:
IEC 61000-4-2 静电放电抗扰度;
IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群抗扰度;
IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度;
对于ESD静电放电(IEC 61000-4-2)来说,它的电压上升时间非常短(1ns左右),所以要求保护器件动作要非常迅速,而一个有利因素是,测试时放电间隔,一般会大于1S,所以不会有太多的能量冲击,这和实际情况比较相符。而对于快速脉冲群(IEC 61000-4-4)来说,它的电压上升时间比静电稍慢一些(5ns左右),但是重复频率特别高,大家在上面表里可以看到, 1秒钟之内,最少也有5千个高压脉冲,所以它对保护器件能经受的功率要求要大一些。
对于IEC61000-4-5,浪涌测试来说,它的能量要大得多。倒不是因为它的电压有多高,而是因为它的脉冲宽度(数百微秒),是静电放电脉冲宽度(数十纳秒)的上千倍。我们选择保护器件,就要根据需要过的测试标准,有针对性地进行选择。
3. 认识TVS
我们知道对于二极管,一般来说,PN结加正向电压时导通,加反向电压时截止。说了一般,那肯定还有二般情况,就是反向电压超过一个限制后,二极管就不再是截止状态了,而是会发生雪崩击穿,或齐纳击穿,也可能两者都有。此时,反向电阻很小,导通电流很大,电压被钳制在一个比较固定的水平。TVS就是利用这一特性,来对后级电路进行保护。
TVS分为单向保护管(用于直流电路保护),和双向保护管(用于交流电路保护)。那么我们以Wayon一款双向TVS为例,来了解一下它的关键参数。
图片来源于Wayon TVS手册
TVS主要参数
Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作电压,或者说截止电压。就是说,加这个电压时,管子仍然是截止的,或者说漏过去的电流非常小,通常1nA 左右。那么超过这个最高工作电压,会怎么样呢?这里要注意,电压超过Vrwm后,TVS并不会马上动作,也不像有的文章说的会劣化,损坏,而是漏电流增加的速度快一些。
VBR (Breakdown Voltage) 击穿电压。当电压超过此电压,漏电流开始急剧增加。这里所谓击穿,不能理解为器件损坏,而是正常动作。
Vc (Clamping Voltage) 钳位电压。这也是一个重要指标,就是当一个电压很高的脉冲来了,TVS器件从截止状态,变为导通状态,电压被钳制在一个比较低的水平,电流从TVS通过,回流到地,从而保护了后级电路。
Ipp (Peak Pulse Current) 峰值脉冲电流。器件所能承受的最大脉冲电流。注意是脉冲,脉冲,脉冲,重要的事情说三遍。如果连续通过这么大的电流,马上死翘翘。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我们评估器件时,如果脉冲宽度比较窄,那么最大电流可以超过Ipp,相反,如果脉冲宽度比较宽,电流小于Ipp 也会造成器件损坏。
Cj(Junction Capacitor) 结电容。低速电路不用管,如果是高速电路,这个电容会导致信号变形。此电容越小越好。
我们结合一个器件手册看一下:
超过峰值功率/电流,会引起器件损坏。
资料来源于Wayon TVS产品手册
这里有争议的可能是Vrwm,也就是截止电压。如果工作电压是5V,那么选TVS器件的时候可以选Vrwm=5V的器件吗?我们的意见是可以选。理由是我们可以从特性曲线看到,即使工作电压有波动超过了5V,那漏电流仍然在可以接受的范围内。比如当电压波动到5.6V,此时漏电流只有1mA。而且我们在一些官方手册中,也可以找到例子。比如对于USB端口,电压5V,就用到了Vrwm=5V的器件。对此,你有什么意见呢?
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