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[心得] 采芯网:信号端口中电阻与TVS管对浪涌防护有什么影响

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发表于 2016-12-5 18:37:38 |显示全部楼层
瞬态抑制(TVS)二极管又叫箝位型二极管,是目前普遍使用的一种高效能限压保护器件,它的外型与普通二极管相同,但其吸收的浪涌功率可达上千瓦,它的主要特点是在反向应用条件下,当承受一个高能量的脉冲时,其工作阻抗立即降至极低的导通值,从而允许大电流通过,同时把电压箝制在预定水平,反应速度很快,为ps级,因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。在信号端口的浪涌防护设计中,TVS还常常与电阻匹配一起使用,以提高浪涌防护效果。
  1 .TVS二极管的特性及关键参数
  1.1 TVS二极管的特性
  在规定的反向应用条件下,TVS二极管对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时,TVS二极管就会提供一个低阻抗的路径,并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管,同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS二极管的箝位电压。当过压条件消失后,TVS二极管又恢复到高阻抗状态。
  1.2 TVS二极管的关键参数
  (1)最小击穿电压VBR:器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流IBR(一般情况IBR=1mA)下,测得器件两端的电压称为最小击穿电压。
  (2)反向断态电压VRWM:TVS二极管最大连续工作的直流或脉冲电压,该电压施加于TVS二极管的两极间时,它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流IR。
  (3)脉冲峰值电流IPP:反向工作时,在规定的脉冲波形(如:10/1000μs双指数波形)条件下,器件允许通过的最大浪涌电流。
  (4)最大箝位电压VC:当脉冲峰值电流IPP流过TVS二极管时,其两端出现的最大电压值称为箝位电压VC。VC和IPP反映了TVS二极管的浪涌抑制能力。通常把VC与VBR之比称为箝位因子(系数),其值一般在1.2~1.4之间。
  (5)脉冲峰值功率PPP:脉冲峰值功率PPP是指脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积,即PPP=IPP×VC。 它是TVS二极管能承受的最大峰值功率。在给定的最大箝位电压下,脉冲峰值功率PPP越大,其浪涌电流的承受能力越大。
  (6)结电容CJ:TVS二极管结电容CJ是由其硅片的雪崩结截面和偏置电压来决定的,是在特定频率(1MHz)下测得。 CJ的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比,CJ太大,将使信号衰减。因此,电容CJ是数据接口电路选用TVS二极管的重要参数。在高频信号线路的保护中,应主要选用低结电容的TVS管,一般低结电容的TVS管其结电容可以做到零点几到几p F的数量级了。
  2.TVS管与压敏电阻的区别
  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。在很多精细保护的电子电路中,应用TVS管是比较好的选择。TVS管的流通量在限压型浪涌保护器件中是最小的,一般用于最末级的精细保护,因其流通量小,一般不用于交流电源线路的保护,直流电源的防雷电路使用TVS管时,一般还需要与压敏电阻等流通容量大的器件配合使用。TVS管便于集成,很适用于在PCB板上使用。
  TVS具有的另一个优点是可灵活选用单向和双向保护器件,在单极性的信号电路和直流电源电路中,选用单向TVS管,可以获得比压敏电阻更低的残压。TVS管也可以与二极管串联,利用二极管寄生电容较小的特点来降低总寄生电容或者串联小电阻降低总寄生电容,从而实现对高速信号端口的保护。
  3. TVS管和电阻做浪涌防护
  在信号端口的浪涌防护设计中,为了提高浪涌防护效果,常常用TVS与电阻匹配一起使用,但是TVS和电阻在设计中不同的布局,效果会有很大的差异,布局一:保护电阻放置在TVS管的前面,布局二:保护电阻放置在TVS管的后面
  为了确定两种不同的布局对接口浪涌防护性能的影响,对某一产品的接口进行测试实验。
  将浪涌发生器设置为连续10次(正负各5次)输出1.2/50uS的标准浪涌电压,浪涌电压根据不同端口设置不同的电压。测试结果如下表1和表2所示。
  表1为保护电阻放置在TVS管的前面的测试数据,表2为保护电阻放置在TVS管的后面的测试数据。从以下测试数据可知,表1接口抗浪涌电压的能力比表2要差很多,且表1失效的均为电阻损坏造成而TVS管并没有损坏;表2接口失效则是由于TVS管击穿短路造成的,电阻并没有损坏。
  由此可知,电阻放置在TVS管后面布局放置时的防护浪涌能力更强。
  4. 分析总结
  从以上可知,电阻可以串联在电路中与TVS管作为保护器件来抑制浪涌电流,起到限流的作用,但是在布局时,电阻要放置在TVS管的后面,因为TVS管动作时,TVS管的阻抗很低,大部分电流从TVS管流过,而在R中流过的电流远远小于流过TVS管的电流,但是TVS管能够承受流过的电流要远大于电阻,这也是表1中接口电阻更容易失效的原因。同时,将电阻用于防浪涌的时候还需考虑电阻的功率和封装大小。


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