瞬態干擾
瞬態干擾指交流電網上出現的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號,其特點是作用時間極短,但電壓幅度高、瞬態能量大。瞬態干擾會造成控制系統的電源電壓的波動;當瞬態電壓疊加在控制系統的輸入電壓上,使輸入控制系統的電壓超過系統內部器件的極限電壓時,便會損壞控制系統內部的設備,因此必須采用抑制措施。


硅瞬變吸收二極管TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）硅瞬變吸收二極管的工作有點象普通的穩壓管,是箝位型的干擾吸收器件;其應用是與被保護設備并聯使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力,及極多的電壓檔次。可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產生的瞬變電壓,以及感應雷所產生的過電壓。 TVS管有單方向(單個二極管)和雙方向(兩個背對背連接的二極管)兩種,它們的主要參數是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10％左右,以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓,使TVS漏電流影響電路正常工作;也避免因環境溫度變化導致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。 TVS管有多種封裝形式,如軸向引線產品可用在電源饋線上;雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數據總線的保護。


TVS的特性
TVS的電路符號和普通的穩壓管相同。其電壓-電流特性曲線如圖1所示。其正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結雪崩器件。圖2是TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR,而被擊穿。隨著擊穿電流的出現,流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP,同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流按指數衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復到初態,這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率,保護電子元器件的過程。當TVS兩極受到反向高能量沖擊時,它能以10~12s級的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,吸收高達數千瓦的浪涌功率,使兩極間的電位箝位于預定值,有效地保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優點,目前已廣泛應用于家用電器、電子儀表、通訊設備、電源、計算機系統等各個領域。?

TVS的特性曲線


TVS的特性及參數

幾種典型波型的K值

?TVS的分類TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種;按用途可分為通用型和專用型;按封裝和內部結構可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產品峰值功率可以達到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上,低功率產品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。


TVS的選用1.確定待保護電路的直流電壓或持續工作電壓。如果是交流電，應計算出最大值，即用有效值*1.414。
?2.TVS的反向變位電壓即工作電壓（VRWM）--選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計,如果步驟1所規定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態，從而影響電路的工作。
3.最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況,根據干擾脈沖的波形、脈沖持續時間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。
4.所選TVS的最大箝位電壓（VC）應低于被保護電路所允許的最大承受電壓。
5.單極性還是雙極性-常常會出現這樣的誤解即雙向TVS用來抑制反向浪涌脈沖，其實并非如此。雙向TVS用于交流電或來自正負雙向脈沖的場合。TVS有時也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號，那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時,TVS處于反向雪崩擊穿狀態；反向浪涌時，TVS類似正向偏置二極管一樣導通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應選用雙向TVS以保護電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。
6.如果知道比較準確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率，如果無法確定功率的概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。
7.對于數據接口電路的保護,還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。
8.其他需注意事項
---根據用途選用TVS的極性及封裝結構。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護選用TVS陣列更為有利。
---溫度考慮瞬態電壓抑制器可以在－55℃~＋150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度下工作,由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大;功耗隨TVS結溫增加而下降,從＋25℃到＋175℃,大約線性下降50％;擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數增加。因此,必須查閱有關產品資料,考慮溫度變化對其特性的影響。
TVS管在使用中應注意的事項
---對瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關系。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值),而實際線路中的脈沖寬度則變化莫測,事前要有估計。對寬脈沖應降額使用。
---對小電流負載的保護,可有意識地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當,不會影響線路的正常工作,但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護.
---對重復出現的瞬變電壓的抑制,尤其值得注意的是TVS管的穩態平均功率是否在安全范圍之內。
---降額使用
作為半導體器件的TVS管,要注意環境溫度升高時的降額使用問題。特別要注意TVS管的引線長短,以及它與被保護線路的相對距離。當沒有合適電壓的TVS管供采用時,允許用多個TVS管串聯使用。串聯管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個。而峰值吸收功率等于這個電流與串聯管電壓之和的乘積。
---TVS管的結電容是影響它在高速線路中使用的關鍵因素,在這種情況下,一般用一個TVS管與一個快恢復二極管以背對背的方式連接,由于快恢復二極管有較小的結電容,因而二者串聯的等效電容也較小,可滿足高頻使用的要求。


TVS在電路中的應用

1.TVS用于交流電路
圖2-1是一個雙向TVS在交流電路中的應用，可以有效地抑制電網帶來的過載脈沖，從而起到保護整流橋及負載中所有元器件的作用。TVS的箝位電壓不大于電路的最大允許電壓。
圖2-2所示是用單向TVS并聯于整流管旁側，以保護整流管不被瞬時脈沖擊穿，選用TVS必須是和整流管相匹配。
圖2-3所示電路中，單向TVS1和TVS2反接并聯于電源變壓器輸出端或選用一個雙向TVS，用以保護整流電路及負載中的元器件。TVS3保護整流以后的線路元件，如電源變壓器輸出端電壓為36伏時一般TVS1和TVS2的工作電壓VR應根據36×√2 來選擇，其它參數依據電路中的具體條件而下。

TVS在電路應用中的典型例子

交流電路應用舉例：
????? 直流線路采用單向瞬變電壓抑制二極管，交流則必須采用雙向瞬變電壓抑制二極管。交流是電網電壓，這里產生的瞬變電壓是隨機的，有時還遇到雷擊（雷電感應產生的瞬變電壓）所以很難定量估算出瞬時脈沖功率PPR。但是對最大反向工作電壓必須有正確的選取。一般原則是交流電壓乘1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1—1.2倍來選取TVS管的最大反向工作電壓VRWM。

微機電源采用TVS作線路保護的原理圖

如上圖給出了一個微機電源采用TVS作線路保護的原理圖，由圖可見：

1. ?在進線的220V~處加TVS管抑制220V~交流電網中尖峰干擾。
2. ?在變壓器進線加上干擾濾波器，濾除小尖峰干擾。
3. ?在變壓輸出端V~=20V處又加上TVS管，再一次抑制干擾。
4. ?到了直流10V輸出時還加上TVS管抑制干擾。

其中：雙向TVS管D1的VRWM=220V~×1.4=308V左右??
雙向TVS管D2的VRWM=20V~×1.4=28V左右??
單向TVS管D3的VRWM=10V~×1.2=12V左右
?
????? 經過如上四次抑制，變成所謂的“凈化電源”，還可以加上其它措施，更有效地抑制干擾，防止干擾進入計算機的CPU及存貯器中，從而提高微機系統的應用可靠性。?

2.TVS用于直流電路：圖2-4所示TVS并聯于輸出端，可有效地保護控制系統。TVS的反向工作電壓應等于或略高于直流供電電壓，其它參數根據電路的具體條件而定。
圖2-5所示為兩個單向TVS連接在電源線路中，用以防止直流電源反接或電源通、斷時產生的瞬時脈沖使集成電路損壞。當電路連接有感性負載，如電機、斷電器線圈、螺線管時，會產生很高的瞬時脈沖電壓，
圖2-6中的TVS可以保護晶體管及邏輯電路，從而省去了較復雜的電阻/電容保護網絡。
圖2-7電路中TVS起保護和電壓限制的作用。

TVS用于直流電路-1

TVS用于直流電路-2

直流電中選用舉例：
整機直流工作電壓12V，最大允許安全電壓25V（峰值），浪涌源的阻抗50MΩ，其干擾波形為方波，TP=1MS ，最大峰值電流50A。?選擇：
1、先從工作電壓12V選取最大反向工作電壓VRWM為13V，則擊穿電壓V(BR)=VRWM/0.85=15.3V???

2、從擊穿電壓值選取最大箝位電壓Vc(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V，取?Vc=20V

3、再從箝位電壓VC和最在峰值電流IP計算出方波脈沖功率： PPR=VC×IP=20×50=1000W??

4、計算折合為TP=1MS指數波的峰值功率，折合系數K1=1.4，
?
PPR=1000W÷1.4=715W

從手冊中可查到1N6147A其中PPR=1500W，變位電壓VRWM=12.2V，擊穿電壓V(BR)=15.2V，最大箝位電壓Vc=22.3V，最大浪涌電流IP=67.3A。可滿足上述設計要求，而且留有一倍的余量，不論方波還是指數波都適用。

日益嚴厲的認證的標準與日益降低的產品成本要求每一個研發人員對自己負責的產品有著寬裕的解決方案.TVS是個不錯的選擇.但根據冒冒自己的經驗:TVS并不能完全改善PCB孱弱的體質,特別在ESD方面的抑制能力.總而言之:有一個好的電子設計工程師加上一個出色的Layout工程師,你用到TVS的機會就很少了。