保护器件之-瞬态抑制二极管TVS(前篇)

原创 硬件之路学习笔记 2024-05-08 23:36

-----前文导读-----

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-----本文简介-----

主要内容包括:

  • TVS基本原理

  • TVS基本参数

  • TVS应用场合与选型要点

    本文只简单介绍基本参数与常见应用,后续将出后篇介绍级间电容等参数。

----- 正文 -----
一、TVS基本原理
        TVS(瞬态抑制二极管),又名雪崩击穿二极管,顾名思义是利用其雪崩击穿特性来抑制瞬态功率的器件。如下图所示,在电源电路与后级电路之间反向并联一个TVS,电源电压正常不超过TVS的最高工作电压,因此TVS对电路几乎无影响,而当电源因为一些原因出现高于TVS击穿阈值的电压时,TVS瞬间便被击穿,此时大电流将会通过TVS流向GND,消耗掉瞬间的大功率,因此后级电压也会随之降低,降低之后的电压被称为钳位电压。

    
二、TVS基本参数
   

     1. 最高工作电压 VRWM
        由于TVS是反并联使用,且正常情况下其不工作,因此它的最高工作电压即其反向工作峰值电压(working peak reverse voltage,VRWM不能超过被保护的电路最高工作电压。这个电压在一些厂家中也是其额定电压。
    2. 击穿电压VBR
        VBR即击穿电压Breakdown Voltage,其定义是达到一定的反向电流IT所对应的电压,IT一般是1~10mA。数据手册一般分为最大击穿电压VBR(min)与最小击穿电压VBR(max),有时额定电压会介于两者之间。
    3.峰值脉冲电流IPP
        峰值脉冲电流一般是指施加10/1000μs电流波形图中对应的峰值电流。

    4.钳位电压VC
        钳位电压VC是指在TVS被施加规定的10/1000μs电流波形图时,TVS两端测得的峰值电压,意味着在规定电流条件下,经过TVS后的电压不会超过钳位电压。
    5.正向压降VF
        VF是Forward Voltage,指TVS的正向压降,类似于普通二极管的正向压降。
    6.漏电流IR
        IR是指漏电流,即使加载TVS两端的电压低于其最高工作电压VRWM,也会有微小电流通过TVS,这个电流就是TVS的漏电流。额定电压越低的TVS漏电流越大,5V的TVS漏电流能达到几百微安,而12V的TVS漏电流一般不到10uA。
    7.峰值脉冲功率Ppp
        峰值脉冲功率即在给定的条件下的脉冲功率,Ppp=VC*Ipp   
三、TVS的选型要点
    1. 封装&功率
        封装与功率有关,预估功率来选择封装,Ppp=VC*Ipp,在无法预估功率时,可以在PCB及成本允许的情况下尽可能用大封装。
    2. 单双向
        双向TVS可以从正反两个方向吸收瞬时脉冲的大功率,因此双向TVS可以应用在交流场景中。同时双向TVS在级间电容等参数上与单项TVS不同,后续出文章专门介绍。
    3. 应用场景
        选型也要看其应用场景,如TVS可以用在电源输入口也可以用于CAN、USB等信号的防护上,当用于高速信号时,TVS的级间电容也是需要考虑的因素,后续专门写文章介绍级间电容。 
    4. VRWM与VC
        VRWM与VC是首要考虑的内容,例如一个5V电源给最大耐压11V的芯片供电,那我们选择并联TVS时可以选择额定电压6.8V的TVS,其最大工作电压VRWM为5.8V,最大击穿电压VBR(max)为7.14V,钳位电压VC为10.5V,钳位后不少过最大耐压11V。

    同时也要意识到一个问题,上述举例正好卡在钳位电压极限,而随着近年来低功耗场景的日趋增长,IC的电压也来越低,其最大耐压也随之越来越低,如果5V供电下后级芯片耐压只有8V甚至7V如何进行过压保护? 此时除了TVS外还需要添加OVP保护电路,后续将写文章介绍OVP电路与集成OVP芯片。


    5. 漏电流IR
         在低功耗场景下或者用于ADC采集等场景,漏电流造成的功耗或者误差不可以忽略,尤其是低功耗应用中的电压较低,而低额定电压的TVS漏电流较大,因此漏电流也是需要重点考虑的对象。
四、其他参数与应用
        篇幅所限本篇只介绍上述基本内容,后篇将介绍级间电容、温度特性等,同时还会介绍如下图所示的集成TVS阵列与应用场景。

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------作者注------

      由于作者工作不久,经验不足,因此文章多是理论现学现卖,定有理解不够深入或者涵盖面不足之处,望有经验的工程师能在评论区指出不足,我会针对性深入学习并再后续文章中更正,以求不要误导读者,在这里先感谢各位。

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