瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車(chē)、家用電器、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。本文將結(jié)合TVS應(yīng)用的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)，介紹TVS的幾種典型應(yīng)用電路，并通過(guò)TVS在熱插拔電路保護(hù)和汽車(chē)電源線保護(hù)中應(yīng)用的實(shí)例，來(lái)詳細(xì)探討如何正確應(yīng)用TVS和使TVS的應(yīng)用效能最佳。

在實(shí)際的應(yīng)用電路中，處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。為達(dá)到這一目的，將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TNS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)TVS被引開(kāi)，從而避開(kāi)被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。在此之后，當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管再自動(dòng)恢復(fù)至高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。

1 TVS應(yīng)用的三大特點(diǎn)

1)將TVS二極管加在信號(hào)及電源線上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過(guò)10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開(kāi)關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

3)將TVS二極管放置在信號(hào)線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

2 TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

對(duì)瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值)，而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。

對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

3 TVS的典型應(yīng)用電路

3.1 TVS在交流電路中的應(yīng)用

圖1所示是一個(gè)雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來(lái)的過(guò)載脈沖，從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。

圖1 雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路

3.2 用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

圖2是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時(shí)還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護(hù)晶體管。建議在每個(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè)TVS管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。

圖2 TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

3.3 用TVS保護(hù)晶體管電路

各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性(線圈、變壓器、電動(dòng)機(jī))負(fù)載時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生高壓反電勢(shì)，因而可能使晶體管損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用TVS作為保護(hù)器件。圖3所示為T(mén)VS保護(hù)晶體管的四種電路實(shí)例。

圖3 TVS保護(hù)晶體管電路

3.4 用TVS保護(hù)集成運(yùn)放

集成運(yùn)放對(duì)外界電應(yīng)力非常敏感。因此，在使用運(yùn)放的過(guò)程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖4所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過(guò)壓損傷的保護(hù)電路。

圖4 TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過(guò)壓損傷的保護(hù)電路

4 TVS的應(yīng)用實(shí)例

4.1 TVS用于熱插拔電路保護(hù)

在熱插拔應(yīng)用中，TVS主要用作需要被中斷的差模電流的接地分流路徑。熱插拔系統(tǒng)常被用在分布式電源系統(tǒng)中提供可靠的系統(tǒng)保護(hù)和電氣管理，典型服務(wù)器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖如圖5所示。

圖5 典型服務(wù)器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖

從本質(zhì)上講，當(dāng)檢測(cè)到故障和電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換率可能達(dá)到100A/μs或以上時(shí)，圖5中的通路MOSFET Q1將迅速被熱插拔控制器關(guān)閉。不過(guò)，輸入功率路徑的電源軌總線結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)寄生電感(與電源母線的長(zhǎng)度和固有環(huán)路面積有關(guān))。儲(chǔ)存在該電感的能量將轉(zhuǎn)移到電路中的其他元件，以致產(chǎn)生過(guò)壓動(dòng)態(tài)行為。為了防止下游元件被損壞，在分流保護(hù)配置中從VIN至GND處連接了響應(yīng)速度快的單向TVS(瞬態(tài)電壓抑制)硅二極管，如圖5所示。

應(yīng)用于熱插拔電路中的TVS選擇可按照以下步驟進(jìn)行：

1)用切斷電壓VR選擇單向TVS，該電壓等于或大于直流或連續(xù)峰值工作母線電壓水平。14V或15V TVS適合低阻抗12VDC±10%的服務(wù)器系統(tǒng)輸入總線。

2)根據(jù)熱插拔控制器斷路器閾值電壓、響應(yīng)時(shí)間和所選分流電阻器來(lái)確定峰值脈沖電流水平IP。

3)利用公式TVS二極管的典型應(yīng)用及實(shí)例分析 - 天涯 - 茶間尋找機(jī)遇 (式中，VC：鉗位電壓;IP：峰值脈沖電流;VC(max)：最大鉗位電壓;VBR：擊穿電壓;IPP：采用10/1000 ms波形的VC(max)條件下的最大峰值脈沖電流。)由第2步和相關(guān)數(shù)據(jù)表參數(shù)給定的IP水平來(lái)計(jì)算電路鉗位電壓VC。VC是否足夠低?如果不是，另一種方法是使用一個(gè)較大的TVS，以獲得較陡峭的下降。請(qǐng)注意，VC的電壓溫度系數(shù)與VBR類似(例如在75℃的工作環(huán)境條件下，0.1%/℃意味著該系數(shù)增加了5%)。

4)計(jì)算出VC和IP的乘積，以獲得由TVS維持的實(shí)際峰值功率水平。

5)利用公式TVS二極管的典型應(yīng)用及實(shí)例分析 - 天涯 - 茶間尋找機(jī)遇 (式中，L為電路中的寄生電感)和已知的輸入寄生電感來(lái)確定三角脈沖波形的脈沖持續(xù)時(shí)間td(即衰減到零的時(shí)間)。

6)使用類似圖6(a)曲線的第5步脈沖持續(xù)時(shí)間降額PPP。如前所述，三角脈沖電流波形可以實(shí)現(xiàn)比雙指數(shù)參考波形曲線高33%的脈沖功率。

7)使用類似圖6(b)曲線的環(huán)境溫度降額PPP。同時(shí)應(yīng)該考慮相鄰元件的相互熱效應(yīng)。

8)第7步的凈降額PPP是否實(shí)現(xiàn)了由第4步計(jì)算的實(shí)際TVS峰值功率的足夠設(shè)計(jì)余量(至少50%)?如果沒(méi)有，選擇一個(gè)較大的TVS并重復(fù)1-8步驟。

圖6 (a)峰值脈沖功率與脈沖持續(xù)時(shí)間，(b)熱降額特性

4.2 TVS用于汽車(chē)電源線的初級(jí)保護(hù)和次級(jí)保護(hù)

電子控制單元、傳感器和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等汽車(chē)電子設(shè)備連接在一根電源線上，如圖7所示。這些電子產(chǎn)品的電源是電池和交流發(fā)電機(jī)，這兩種電源的輸出電壓都不穩(wěn)定，容易受溫度、工作狀態(tài)和其他條件影響。此外，使用燃油噴射系統(tǒng)、閥、電機(jī)、電氣和水解控制器等電磁線圈負(fù)載的汽車(chē)系統(tǒng)，會(huì)把ESD、尖峰噪聲和其他類型的瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號(hào)線上。因此，汽車(chē)設(shè)計(jì)中必須保護(hù)電子設(shè)備(例如控制單元、傳感器和信息娛樂(lè)系統(tǒng))免受電源線上出現(xiàn)的有害浪涌電壓、瞬態(tài)電壓、ESD和噪聲的損害。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是汽車(chē)電子保護(hù)的理想方案，下面主要介紹TVS在汽車(chē)電源線中的初級(jí)保護(hù)和次級(jí)保護(hù)應(yīng)用。

圖7 典型的汽車(chē)電源線

4.2.1 汽車(chē)電源線初級(jí)保護(hù)(甩負(fù)荷)

用于汽車(chē)電子初級(jí)保護(hù)的甩負(fù)荷TVS有兩類：外延型和非外延型。在反偏模式下，這兩組產(chǎn)品具有相似的擊穿工作特性。不同之處在于，外延型TVS在正向模式下具有低正向壓降(VF)特性，非外延型TVS在相同條件下VF相對(duì)較高。

在反向電源輸入模式中，電源線電壓與TVS VF的電壓相同，這種反偏模式會(huì)引起電子線路故障，外延型TVS的低正向壓降能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，如圖8所示。

圖8 TVS用于汽車(chē)電源線初級(jí)保護(hù)

4.2.2 汽車(chē)電源線的次級(jí)保護(hù)

汽車(chē)系統(tǒng)中保護(hù)電路的初級(jí)對(duì)象是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此，在24V動(dòng)力總成中的次級(jí)保護(hù)特別重要，比如卡車(chē)和貨車(chē)中的動(dòng)力總成。其主要原因是因?yàn)榇蠖鄶?shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的最大輸入電壓是45V~60V。對(duì)于此類應(yīng)用，建議使用圖9中的次級(jí)保護(hù)。在電源線上增加電阻R可以減小瞬態(tài)電流，這樣就可以使用更小額定功率的TVS作為次級(jí)保護(hù)。

圖9 次級(jí)保護(hù)

5 TVS二極管效能最佳化

如何使TVS在電路中應(yīng)用的效能最佳?印制電路板的布線及電路元件的選擇很重要，通過(guò)合理放置TVS的位置、接地選擇、寄生電感和回路區(qū)的處理，以及突崩式TVS與二極管陣列、單向與雙向突崩式TVS二極管、外部與內(nèi)部晶片保護(hù)電路的比較，科學(xué)合理地進(jìn)行PCB的布線和TVS元件的選擇，使TVS的效能最佳化。