目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表(电度表)、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。
瞬态抑制二极管(TVS)又叫钳位型二极管,是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件,它的外型与普通二极管相同,但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率,它的主要特点是在反向应用条件下,当承受一个高能量的大脉冲时,其工作阻抗立即降至极低的导通值,从而允许大电流通过,同时把电压钳制在预定水平,其响应时间仅为10-12毫秒,因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。 TVS允许的正向浪涌电流在TA=250C,T=10ms条件下,可达50~200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压钳制到预定水平, 双向TVS适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等,是一种理想的保护器件。耐受能力用瓦特(W)表示。
1、击穿电压V(BR)
器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流I(BR)下,测得器件两端的电压称为击穿电压,在此区域内,二极管成为低阻抗的通路。
2、最大反向脉冲峰值电流IPP
在反向工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。 IPP与最大钳位电压VC(MAX)的乘积,就是瞬态脉冲功率的最大值。
使用时应正确选取TVS,使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。
TVS器件可以按极性分为单极性和双极性两种,按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如:各种交流电压保护器、 4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列(适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。
1、将TVS二极管加在信号及电源线上,能防止微处理器或单片机因瞬间的肪冲,如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。
2、静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲,并能持续10ms;而一般的TTL器件,遇到超过30ms的10V脉冲时,便会导至损坏。利用TVS二极管,可有效吸收会造成器件损坏的脉冲,并能消除由总线之间开关所引起的干扰(Crosstalk)。
3、将TVS二极管放置在信号线及接地间,能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
优点:响应速度快(为ns级)、瞬态功率大、漏电流低;其 10/1000μs 波脉冲功率从 400W~30KW,脉冲峰值电流从 0、52A~544A;击穿电压有从 6、8V~550V 的系列值,便于各种不同电压的电路使用。
缺点:耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差; 稳压二极管:反应较慢;一般用于电压精度要求高的地方(一般较小),防浪涌,击穿电压精准,各压值档都有;齐纳击穿; 压敏电阻:与稳压二极管相似,但不可恢复。
1、TVS 的最大反向钳位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压;
2、TVS 的额定反向关断电压 VWM 要大于或等于被保护电路的最大工作电压, 若选用的 VWM 太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作;
3、 交流电压只能用双向 TVS;
4、在规定的脉冲持续时间内,TVS 的最大峰值脉冲功率 PM 必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率,在确定了最大钳位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流;
5、结电容是影响 TVS 在高速线路中使用的关键因素,在这种情况下,一般用一个 TVS 管和一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等小电容也较小,可以满足高频使用的要求;
6、需要考虑降额使用的应用; 应用场合:功率开关电路;整流二极管(与之同向);电源变压器;防直流电源反接或电源通断时产生的瞬时脉冲;抑制电机,断电器线圈,螺线管等感性负载产生的瞬时脉冲电压;控制系统的输入输出端。
1、对瞬变电压的吸收功率峰值与瞬变电压脉冲宽度间的关系,手册给的只是特 定脉宽下的吸收功率峰值,实际线路中的脉冲宽度则变化莫测,事前要有估计,对宽脉冲应降额使用;
2、对小电流负载的保护,可有意识地在电路中增加限流电阻,只要限流电阻的 阻值合适,不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小,这就有可能选用峰值功率较小的 TVS 管来对小电流负载电路进行保护;
3、对重复出现的瞬变电压的抑制,要注意 TVS 管的稳态平均功率是否在安全范围之内;
4、环境温度升高时要降额使用,TVS 管的引线长短,它与被保护线路的相对距离。
TVS二极管与齐纳二极管:与传统的齐纳二极管相比,TVS瞬态抑制二极管P/N 结面积更大,这一结构上的改进使TVS具有更强的高压承受能力,同时也降低了电压截止率,因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。
TVS二极管与陶瓷电容:很多设计人员愿意采用表面贴装的陶瓷电容作ESD 保护,不但便宜而且设计简便,但这类器件对高压的承受力却比较弱。5kV 的冲击会造成约10%陶瓷电容失效,到10kV 时,损坏率达到60%,而TVS二极管可以承受15kV 电压。在手持设备的使用过程中,由于与人体频繁接触,各个端口必须至少能够承受8kV 接触冲击(IEC61000-4-2 标准),可见使用TVS二极管可以有效保证最终产品的合格率。
TVS二极管与MLV:多层金属氧化物结构器件(MLV)也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制,此类器件具有非线性电压-电流(阻抗表现)关系,截止电压可达最初中止电压的2~3 倍,这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的保护,如电源回路。而TVS瞬态抑制二极管具有更好的电压截止因子,同时还具有较低的电容,这一点对于手持设备的高频端口非常重要,因为过高的电容会影响数据传输,造成失真或是降级。
TVS瞬态抑制二极管的各种表面封装均适合流水线装配的要求,而且芯片结构便于集成其它的功能,如EMI 和RFI过滤保护等,可有效降低器件成本,优化整体设计。
另一个不能忽略的特点是二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上,现有很多将EMI 过滤和RFI 防护等功能与TVS 集成在一起的器件,不但减少设计所采用的器件数目降低成本,而且也避免PCB板上布线时易诱发的伴生自感。