TVS二极管功率选型计算的保姆级教程,搞定它只需这1300字!

原创 硬件那点事儿 2024-05-11 11:22

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Part 01

前言

TVS二极管选型中需要考虑的一个重要参数就是TVS二极管的功率,TVS二极管功率选大了会导致我们的BOM成本高,同时TVS二极管的封装也更大,从而增加PCB布局难度,但是TVS二极管率选小了也不行,当其遭受瞬态脉冲时,TVS二极管最终可能击穿烧毁,那到底怎么选呢?

总结来说,TVS二极管功率选型一共分五大因素,分别是:

1.瞬态波形

2.最大钳位电压Vcl

3.脉冲峰值电流Ipp

4.环境温度

5.脉冲持续时间

如何基于这五大因素最终计算出TVS极管的功率呢?


Part 02

瞬态波形

首先你要清楚你的产品需要做哪些测试?不同的产品都有对应的EMC测试标准,比如如果你是工业产品,那么你可能需要通过IEC 61000-4-5标准,如果你是汽车电子产品,那么你可能需要过ISO 7637-2:2011标准,标准中会定义你这个产品需要做哪些脉冲测试,对应的脉冲波形也会定义清楚。
我们需要从瞬态脉冲波形中获取波形的峰值电压Umax,波形输出的内阻Rs,波形的脉冲持续时间td这三个信息即可。


Part 03

最大箝位电压Vcl+脉冲峰值电流Ipp

功率P=U*I,要想计算功率,就需要得到最大箝位电压Vcl,脉冲峰值电流Ipp,有人说TVS二极管规格书里定义的有最大箝位电压Vcl和脉冲峰值电流Ipp,是不是直接拿这俩数据计算啊?

答案是否定的,原因TVS二极管规格书中的这两个参数是在特定的波形下测出来的,厂家也会在TVS二极管规格书说明他们的测试波形是什么样的,一般都是下图这种。所以最大箝位电压Vcl,脉冲峰值电流Ipp取决于你的测试波形,所以要想计算TVS二极管功率,一定要先搞清楚你的测试波形是什么。

那如何根据你用到的测试波形计算最大箝位电压Vcl,脉冲峰值电流Ipp呢?
VCL_max =VBR_max+Ipp×RDYN
VBR_maxTVS二极管的最大击穿电压,规格书中有定义
Ipp脉冲峰值电流=波形的峰值电压Umax/波形输出的内阻Rs来估算
RDYNTVS二极管的动态电阻,规格书中有定义。(备注:有些规格书中没有说明此RDYN参数,怎么办呢?在此不做赘述,后续再开文章讲解


Part 04

环境温度

TVS二极管能承受的峰值脉冲功率会随环境温度的升高而降低,比如一个1500W的TVS二极管,环境温度为25℃时,其峰值脉冲功率为1500W,但是当环境温度为100℃时,其峰值脉冲功率仅为1500W*26%=390W,所以环境温度的影响不可忽视。

Part 05

脉冲持续时间

TVS二极管能承受峰值脉冲功率会随脉冲持续时间的增加而降低,比如一个1500W的TVS二极管,脉冲持续时为1ms时,其峰值脉冲功率为1500W,但是当脉冲持续时5ms,其峰值脉冲功率仅为700W,所以脉冲持续时的影响不可忽视。备注:此处TVS规格书中的脉冲时间时间指的是指数波,如果你的测试波形是方波或者正弦波则需要重新计算此时间,怎么计算呢?我之前的二极管IFSM的文章已经讲解过,有兴趣的可以翻看

Part 06

计算实例

掌握了以上影响因素之后,接下来就举例计算一下:

前提条件:假定瞬态脉冲波形为指数波,峰值电压Umax 200V,波形输出的内阻Rs 20Ω,波形的脉冲持续时间td 5ms。TVS二极管击穿电压30V,动态电阻200mΩ,TVS二极管额定功率1500W,环境温度100℃。

脉冲峰值电流Ipp≈200V/20Ω=10A

最大箝位电压Vcl=30V+0.2Ω*10A=32V

脉冲功率=10A*32V=320W

TVS二极管功率-脉冲时间降额=700W

TVS二极管功率-环境温度降额=700W*26%=182W

TVS二极管降额后功率182W<320W

所以当前TVS二极管功率选型有问题,需要选择更大功率的TVS二极管才行


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