TVS管原理和特性

瞬态二极管【TVS|Transient Voltage Suppressor】

是一种二极管形式(齐纳二极管的进化)的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以极快的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收电源和信号线上的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值。

双向TVS和单向TVS

单向TVS和就特性而言和齐纳管较类似,只能吸收正向的浪涌电压脉冲,一般只用于直流电路(且没有反接和负向脉冲)。

双向TVS可在正反两个方向吸收浪涌电压脉冲,实现了对电压的钳制,双向TVS用途较广(直流,交流均可用)。

看下图对比更清晰一些:

TVS管特点:

优点:响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
缺点:击穿电压较低,价格较贵。
与MOV的对比结果:

TVS管参数:

1) 击穿电压【V(BR)】
TVS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。
2) 最大反向脉冲峰值电流【I.PP】
在击穿时【规定的脉冲条件下】器件允许通过的最大脉冲峰值电流。

我们要注意这个参数,因为瞬态脉冲功率的最大值=IPP×最大箝位电压VC(MAX)。要保证TVS能够正常工作,需要确认额定瞬态脉冲功率PPR大于最大瞬态浪涌功率。

实际上峰值电流的试验波形采用标准波(指数波形),由TR/TP决定。
峰值电流上升时间TR:电流从0.1IPP开始达到0.9IPP的时间。
半峰值电流时间TP:电流从零开始通过最大峰值后,下降到0.5IPP值的时间。

3) 最大反向工作电压【VRWM】

TVS保护电路过程中,在规定的反向电流下,TVS两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。
一般VRWM=(0.8~0.9)V(BR)。在这个电压下,器件的功率消耗很小。我们一般设计的时候要选择VRWM大于16V的器件。
4)最大箝位电压【VC(max)】
在脉冲峰值电流Ipp 作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。使用时,应使VC(max )不高于被保护器件的最大允许安全电压。最大箝位电压与击穿电压之比称为箝位系数。
5、 反向脉冲峰值功率PPR
TVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压VC(max),除此以外,还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。
当脉冲时间Tp一定时,PPR=K1×K2×VC(max)×Ipp,式中K1为功率系数,K2为功率的温度系数。
典型的脉冲持续时间Tp为1MS,当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp 比标准脉冲时间短时,其脉冲峰值功率将随tp 的缩短而增加。

TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关,用功率系数K1表示:E=∫i(t)?V(t)dt,式中:i(t)为脉冲电流波形,V(t) 为箝位电压波形。

这 个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是,在实际的应用中,浪涌通常是重复地出现,在这种情况下,即使单个的脉冲能量比TVS器件可承 受的脉冲能量要小得多,但若重复施加,这些单个的脉冲能量积累起来,在某些情况下,也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此,电路设计必须在这点上认真 考虑和选用TVS器件,使其在规定的间隔时间内,重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。

6、 电容CPP
TVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定,电容在零偏情况下,随偏置电压的增加,该电容值呈下降趋势。电容的大小会影响TVS器件的响应时间。

7、 漏电流IR

当最大反向工作电压施加到TVS上时,TVS管有一个漏电流Ir,在汽车电子中,这个参数影响到静态电流。