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如何正确应用TVS 和使 TVS 的应用实现效能最佳

电子设计 ? 2021-02-22 16:16 ? 次阅读

瞬态电压抑制器(TVS)具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、家用电器、仪器仪表等各个领域。本文将结合TVS应用的特点及使用注意事项,介绍TVS的几种典型应用电路,并通过TVS在热插拔电路?;?/u>和汽车电源线?;ぶ杏τ玫氖道?,来详细探讨如何正确应用TVS和使TVS的应用效能最佳。

在实际的应用电路中,处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法,就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的,将TVS在线路板上与被?;は呗凡⒘?。这样,当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TNS将发生雪崩击穿,从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路,其结果是瞬时电流通过TVS被引开,从而避开被?;て骷?,并且在电压恢复正常值之前使被?;せ芈芬恢北3纸刂沟缪?。在此之后,当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管再自动恢复至高阻状态,

整个回路进入正常电压状态。

1TVS应用的三大特点

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脉冲,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,便会导致损坏。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。2TVS管在使用中应注意的事项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),而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。对小电流负载的?;?,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,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管来对小电流负载线路进行?;?。

对重复出现的瞬变电压的抑制,尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

3TVS的典型应用电路

3.1TVS在交流电路中的应用

图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲,从而起到?;?a target='_blank' class='arckwlink_hide'>整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。

ABUIABACGAAgk4mpgAYo_O6dUTCwAzjhAQ.jpg

3.2用TVS?;ぶ绷?a href='http://www.gothicabooks.com/tags/稳压电源/' target='_blank' class='arckwlink_hide'>稳压电源

图2是一个直流稳压电源,在其稳压输出端加上TVS,可以?;な褂酶玫缭吹囊瞧魃璞?,同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压,从而?;?a target='_blank' class='arckwlink_hide'>晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管,这样可以大幅度地提高整机的可靠性。

ABUIABACGAAgk4mpgAYogLmCxgYw4wM4mQI.jpg

3.3用TVS?;ぞ骞艿缏?/p>

各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏,特别是晶体管集电极有感性(线圈、变压器、电动机)负载时,通?;岵哐狗吹缡?,因而可能使晶体管损坏。在实际应用中,建议采用TVS作为?;て骷?。图3所示为TVS?;ぞ骞艿乃闹值缏肥道?。

ABUIABACGAAgk4mpgAYoyOnWzAYwrwQ4uAM.jpg

3.4用TVS?;ぜ稍朔?/p>

集成运放对外界电应力非常敏感。因此,在使用运放的过程中,如果因操作失误或采取了不正常的工作条件,往往会出现过大的电压或电流,特别是浪涌和静电脉冲,从而很容易使运放受损或失效。图4所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的?;さ缏?/u>。

ABUIABACGAAgk4mpgAYo9JTZ4QQwkAM42gE.jpg

4TVS的应用实例

4.1TVS用于热插拔电路?;?/p>

在热插拔应用中,TVS主要用作需要被中断的差模电流的接地分流路径。热插拔系统常被用在分布式电源系统中提供可靠的系统?;ず偷缙芾?,典型服务器系统的线卡接口和热插拔

电路原理图如图5所示。

ABUIABACGAAgk4mpgAYowP775wIw4gM44gE.jpg

从本质上讲,当检测到故障和电流中断期间的电流转换率可能达到100A/μs或以上时,图5中的通路MOSFETQ1将迅速被热插拔控制器关闭。不过,输入功率路径的电源轨总线结构难免出现寄生电感(与电源母线的长度和固有环路面积有关)。储存在该电感的能量将转移到电路中的其他元件,以致产生过压动态行为。为了防止下游元件被损坏,在分流?;づ渲弥写覸IN至GND处连接了响应速度快的单向TVS(瞬态电压抑制)硅二极管,如图5所示。

应用于热插拔电路中的TVS选择可按照以下步骤进行:

1)用切断电压VR选择单向TVS,该电压等于或大于直流或连续峰值工作母线电压水平。14V

或15VTVS适合低阻抗12VDC±10%的服务器系统输入总线。

2)根据热插拔控制器断路器阈值电压、响应时间和所选分流电阻器来确定峰值脉冲电流水

平IP。

3)利用公式(式中,VC:钳位电压;IP:峰值脉冲电流;VC(max):最大钳位电压;VBR:击穿电压;IPP:采用10/1000ms波形的VC(max)条件下的最大峰值脉冲电流。)由第2步和相关数据表参数给定的IP水平来计算电路钳位电压VC。VC是否足够低?如果不是,另一种方法是使用一个较大的TVS,以获得较陡峭的下降。请注意,VC的电压温度系数与VBR类

似(例如在75℃的工作环境条件下,0.1%/℃意味着该系数增加了5%)。

4)计算出VC和IP的乘积,以获得由TVS维持的实际峰值功率水平。

5)利用公式(式中,L为电路中的寄生电感)和已知的输入寄生电感来确定三角脉冲波形的脉冲持续时间td(即衰减到零的时间)。

6)使用类似图6(a)曲线的第5步脉冲持续时间降额PPP。如前所述,三角脉冲电流波形可以实现比双指数参考波形曲线高33%的脉冲功率。

7)使用类似图6(b)曲线的环境温度降额PPP。同时应该考虑相邻元件的相互热效应。

8)第7步的净降额PPP是否实现了由第4步计算的实际TVS峰值功率的足够设计余量(至少50%)?如果没有,选择一个较大的TVS并重复1-8步骤。

ABUIABACGAAgk4mpgAYotIr8kAYwyQQ46wE.jpg

4.2TVS用于汽车电源线的初级?;ず痛渭侗;?/p>

电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等汽车电子设备连接在一根电源线上,如图7所示。这些电子产品的电源是电池和交流发电机,这两种电源的输出电压都不稳定,容易受温度、工作状态和其他条件影响。此外,使用燃油喷射系统、阀、电机、电气和水解控制器等电磁线圈负载的汽车系统,会把ESD、尖峰噪声和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上。因此,汽车设计中必须?;さ缱由璞福ɡ缈刂频ピ?、传感器和信息娱乐系统)免受电

源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器(TVS)是汽车电子?;さ睦硐敕桨?,下面主要介绍TVS在汽车电源线中的初级?;ず痛渭侗;びτ?。

ABUIABACGAAgk4mpgAYo1p6u9wIwwwQ4qwI.jpg

4.2.1汽车电源线初级?;ぃㄋΩ汉桑?/p>

用于汽车电子初级?;さ乃Ω汉蒚VS有两类:外延型和非外延型。在反偏模式下,这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于,外延型TVS在正向模式下具有低正向压降(VF)特性,非外延型TVS在相同条件下VF相对较高。

在反向电源输入模式中,电源线电压与TVSVF的电压相同,这种反偏模式会引起电子线路故障,外延型TVS的低正向压降能够很好地解决这个问题,如图8所示。

ABUIABACGAAgk4mpgAYo7Y7MMjCqAzj8AQ.jpg

4.2.2汽车电源线的次级?;?/p>

汽车系统中?;さ缏返某跫抖韵笫歉呃擞康缪?,但是被钳位的电压仍然很高。因此,在24V动力总成中的次级?;ぬ乇鹬匾?,比如卡车和货车中的动力总成。其主要原因是因为大多数稳压器和DC-DC转换器IC的最大输入电压是45V~60V。对于此类应用,建议使用图9中的次级?;?。在电源线上增加电阻R可以减小瞬态电流,这样就可以使用更小额定功率的TVS作为次级?;?。

ABUIABACGAAgk4mpgAYooqit3wUwxAg4pgY!700x700.jpg

5TVS二极管效能最佳化

如何使TVS在电路中应用的效能最佳?印制电路板布线及电路元件的选择很重要,通过合理放置TVS的位置、接地选择、寄生电感和回路区的处理,以及突崩式TVS与二极管阵列、单向与双向突崩式TVS二极管、外部与内部晶片?;さ缏返谋冉?,科学合理地进行PCB的布线和TVS元件的选择,使TVS的效能最佳化。

6结语

本文详细介绍了TVS的应用特点、典型应用及应用实例,并从印制电路板的布线和TVS元件的选择两个方面探讨了如何使TVS的效能最佳化的措施,对电路?;ど杓乒こ淌侠砀咝вτ肨VS进行电路?;ど杓品浅S胁慰技壑?。
编辑:hfy

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