瞬態(tài)電壓抑制二極管的選用技巧
(1)確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。
(2)TVS額定反向關斷VWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低,器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓,并行連接分電流。
(3)TVS的最大鉗位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。
(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內,TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內可能出現的峰值脈沖功率。在確定了最大鉗位電壓后,其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。
(5)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。
(6)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。
(7)溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃~+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度工作,由于其反向漏電流ID是隨增加而增大;功耗隨TVS 結溫增加而下降,從+25℃~+175℃,大約線性下降50%雨擊穿電壓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。
處理瞬時脈沖對元件損害的最好辦法是將瞬時電流從感應元件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路并聯,當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后,TVS二極管便產生雪崩,提供給瞬時電流一個超低電阻通路,其結果是瞬時電流透過二極管被引開,避開被保護元件,并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時脈沖結束以后,TVS二極管自動回覆高阻狀態(tài),整個回路進入正常電壓。許多元件在承受多次沖擊后,其參數及性能會產生退化,而只要工作在限定范圍內,二極管將不會產生損壞或退化。
從以上過程可以看出,在選擇TVS二極管時,必須注意以下幾個參數的選擇:
1. 最小擊穿電壓VBR和擊穿電流I R 。VBR是TVS最小的擊穿電壓,在25℃時,低于這個電壓TVS是不會產生雪崩的。當TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR )時,加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓V BR 。按TVS的VBR與標準值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說,V WM =0.85VBR;對于10%的VBR來說,V WM =0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標準,TVS二極管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊,部份半導體廠商在自己的產品上使用了更高的抗沖擊標準。對于某些有特殊要求的可攜設備應用,設計者可以依需要挑選元件。
2.最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM是二極管在正常狀態(tài)時可承受的電壓,此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓,否則二極管會不斷截止回路電壓;但它又需要盡量與被保護回路的正常工作電壓接近,這樣才不會在TVS工作以前使整個回路面對過壓威脅。當這個額定反向切斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向切斷狀態(tài),流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ID。
3.最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流I PP 。當持續(xù)時間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過TVS時,在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子,一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態(tài)提供的電壓,也就是在ESD沖擊狀態(tài)時通過TVS的電壓,它不能大于被保護回路的可承受極限電壓,否則元件面臨被損傷的危險。
4. Pppm額定脈沖功率,這是基于最大截止電壓和此時的峰值脈沖電流。對于手持設備,一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在特定的最大鉗位電壓下,功耗PM越大,其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下,鉗位電壓VC越低,其突波電流的承受能力越大。另外,峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重覆的,元件規(guī)定的脈沖重覆頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重覆性脈沖,應考慮脈沖功率的累積,有可能損壞TVS。
5. 電容器量C。電容器量C是由TVS雪崩結截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使訊號衰減。因此,C是數據介面電路選用TVS的重要參數。電容器對于數據/訊號頻率越高的回路,二極管的電容器對電路的干擾越大,形成噪音或衰減訊號強度,因此需要根據回路的特性來決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應盡量小(如 LCTVS、低電容器TVS,電容器不大于3pF),而對電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。
瞬態(tài)電壓抑制二極管特性曲線:
說明:
VBR:崩潰電壓@IT- TVS瞬間變?yōu)榈妥杩沟狞c
VRWM:維持電壓-在此階段TVS為不導通之狀態(tài)
VC:鉗制電壓@Ipp -鉗制電壓約略等于1.3*VBR VF:正向導通電壓@IF -正向壓降
IR:逆向漏電流@VRWM
IT:崩潰電壓之測試電流
IPP:突波峰值電流
IF:正向導通電流