老司機(jī)教你選 TVS

1. ?電路中為啥要加TVS

顧名思義，TVS(Transient Voltage Suppressor)，就是對電路中短暫存在的高電壓進(jìn)行抑制，以免此高電壓對電路造成損害，或?qū)е码娐饭ぷ鳟惓?。那么工作的好好的電路中，怎么會突然出現(xiàn)瞬時高電壓呢？主要有以下原因：

ESD，積累的靜電突然釋放到電路中。人們用手觸摸到設(shè)備，身上的靜電打壞設(shè)備，是最常見的一種方式。除了人體，各種沒有連到大地的物體，都可能會積累靜電。我們把電路板設(shè)計(jì)好，怎么知道它在關(guān)鍵時刻能不能頂?shù)米∧?？總不能用手摸來摸去，看它壞沒壞。這就有了抗靜電實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2，其中人體模型HBM(Human Body Model)用來模擬人體放電，機(jī)器模型MM(Machine Model)用來模擬金屬等物體放電，其中分為不同的嚴(yán)苛等級。

我們知道：

對于電容 i=c*du/dt 電壓的突變，會導(dǎo)致大的感生電流

對于電感 u=L*di/dt 電流的突變，會導(dǎo)致大的感生電壓

大的容性負(fù)載，感性負(fù)載，電機(jī)，繼電器的動作，常常會在電路中感生出數(shù)百伏的高電壓。如果源端是感性的，比如汽車?yán)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA/">發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，把蓄電池突然拿掉(電流瞬間突變到0)，也會在電路中感生出高電壓。高頻的電流跳變，所產(chǎn)生的電磁場，通過空間傳播，在臨近的電路中也能感生出尖峰電流。

閃電，毫無疑問，如果電路板被閃電直接擊中，那一定是被秒殺。而如果電路板有金屬外殼，然后用粗的導(dǎo)電金屬帶連到大地，那應(yīng)該沒問題。但是電路板一般通過外部接入220V供電，或者有通訊電纜連出來，那情況就很危險了，即使沒被直接擊中，由于強(qiáng)烈的電磁場感生出的電壓，也足以造成滅頂之災(zāi)。

2. ?如何選擇防護(hù)器件

對于雷擊這種事件，需要在線路中依次放置放電管，壓變電阻，TVS，才能較好的防護(hù)。放電管和壓變電阻動作慢一些，但可以承受大電壓，大電流，作為第一級防護(hù)。TVS反應(yīng)超快，可以作為第二級防護(hù)。當(dāng)然對于一般的應(yīng)用來說，最主要的還是對ESD和感生瞬變電壓的防護(hù)。

我們設(shè)計(jì)一個產(chǎn)品，首先要明確，需要通過哪些標(biāo)準(zhǔn)，以及過什么等級。下面是最常采用的幾個標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 61000-4-2 ?靜電放電抗擾度；

IEC 61000-4-4 ?電快速瞬變脈沖群抗擾度；

IEC 61000-4-5 ?浪涌抗擾度；

對于ESD靜電放電(IEC 61000-4-2)來說，它的電壓上升時間非常短(1ns左右)，所以要求保護(hù)器件動作要非常迅速，而一個有利因素是，測試時放電間隔，一般會大于1S，所以不會有太多的能量沖擊，這和實(shí)際情況比較相符。而對于快速脈沖群(IEC 61000-4-4)來說，它的電壓上升時間比靜電稍慢一些(5ns左右)，但是重復(fù)頻率特別高，大家在上面表里可以看到， 1秒鐘之內(nèi)，最少也有5千個高壓脈沖，所以它對保護(hù)器件能經(jīng)受的功率要求要大一些。

對于IEC61000-4-5，浪涌測試來說，它的能量要大得多。倒不是因?yàn)樗碾妷河卸喔?，而是因?yàn)樗拿}沖寬度(數(shù)百微秒)，是靜電放電脈沖寬度(數(shù)十納秒)的上千倍。我們選擇保護(hù)器件，就要根據(jù)需要過的測試標(biāo)準(zhǔn)，有針對性地進(jìn)行選擇。

3. ?認(rèn)識TVS

我們知道對于二極管，一般來說，PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通，加反向電壓時截止。說了一般，那肯定還有二般情況，就是反向電壓超過一個限制后，二極管就不再是截止?fàn)顟B(tài)了，而是會發(fā)生雪崩擊穿，或齊納擊穿，也可能兩者都有。此時，反向電阻很小，導(dǎo)通電流很大，電壓被鉗制在一個比較固定的水平。TVS就是利用這一特性，來對后級電路進(jìn)行保護(hù)。

TVS分為單向保護(hù)管(用于直流電路保護(hù))，和雙向保護(hù)管(用于交流電路保護(hù))。那么我們以Wayon一款雙向TVS為例，來了解一下它的關(guān)鍵參數(shù)。

圖片來源于Wayon TVS手冊

TVS主要參數(shù)

Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作電壓，或者說截止電壓。就是說，加這個電壓時，管子仍然是截止的，或者說漏過去的電流非常小，通常1nA 左右。那么超過這個最高工作電壓，會怎么樣呢？這里要注意，電壓超過Vrwm后，TVS并不會馬上動作，也不像有的文章說的會劣化，損壞，而是漏電流增加的速度快一些。

VBR?(Breakdown Voltage) 擊穿電壓。當(dāng)電壓超過此電壓，漏電流開始急劇增加。這里所謂擊穿，不能理解為器件損壞，而是正常動作。

Vc (Clamping Voltage) 鉗位電壓。這也是一個重要指標(biāo)，就是當(dāng)一個電壓很高的脈沖來了，TVS器件從截止?fàn)顟B(tài)，變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電壓被鉗制在一個比較低的水平，電流從TVS通過，回流到地，從而保護(hù)了后級電路。

Ipp?(Peak Pulse Current) 峰值脈沖電流。器件所能承受的最大脈沖電流。注意是脈沖，脈沖，脈沖，重要的事情說三遍。如果連續(xù)通過這么大的電流，馬上死翹翹。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我們評估器件時，如果脈沖寬度比較窄，那么最大電流可以超過Ipp，相反，如果脈沖寬度比較寬，電流小于Ipp 也會造成器件損壞。

Cj(Junction Capacitor) 結(jié)電容。低速電路不用管，如果是高速電路，這個電容會導(dǎo)致信號變形。此電容越小越好。

我們結(jié)合一個器件手冊看一下：

超過峰值功率/電流，會引起器件損壞。

資料來源于Wayon TVS產(chǎn)品手冊

這里有爭議的可能是Vrwm，也就是截止電壓。如果工作電壓是5V，那么選TVS器件的時候可以選Vrwm=5V的器件嗎？我們的意見是可以選。理由是我們可以從特性曲線看到，即使工作電壓有波動超過了5V，那漏電流仍然在可以接受的范圍內(nèi)。比如當(dāng)電壓波動到5.6V，此時漏電流只有1mA。而且我們在一些官方手冊中，也可以找到例子。比如對于USB端口，電壓5V，就用到了Vrwm=5V的器件。對此，你有什么意見呢？

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