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稳压二极管和TVS管

一,稳压二极管

在二极管的世界中,大部分二极管们都以:正向导通电流大、反向截止电压大为荣;好比在武侠世界中,大部分武术从业者都追求:内力深厚,武技精湛(阿七:集中精神,以气驭剪)。但总有一部分人,另辟蹊径,既不追求内力有多深,也不奢望自己武技多厉害,他们只喜欢那挥刀瞬间的快感,不错,那就是“葵花宝典”,他们身残志坚,只追求一个字:“快”,如果还有更高的追求,那就是:“更快”,快到可以让时间逆流,不错,“无极”才是他们的终极目标。

稳压二极管和TVS管(瞬态抑制二极管)是二极管中的另类,它们追求的既不是正向的强大,也不是反向的耐造,而是“反向击穿”时的快感;来吧,击穿一次不够,那就来一次(TVS),两次不够,就一直让我击穿(稳压管)。这种反其道而行之的特殊能力,让他们在电路世界中大受欢迎,成为了名副其实的“肉盾”。

过反向击穿分为两种:齐纳击穿和雪崩击穿;齐纳击穿是指:在重掺杂PN结内,反偏条件下PN结两侧的导带和价带离得非常近,以至于电子可以由P区的价带直接隧穿到N区的导带;稳压二极管工作在齐纳击穿状态,所以又称之为:齐纳二极管。

稳压二极管和TVS管

稳压二极管有如下两个重要特点:

1. 二极管结构上:PN的掺杂浓度要高,这样空间电荷区很小,同时电场强度很大,才能发生隧穿;

2. V-I特性上:齐纳击穿时反向电压不随电流变化而变化,达到稳压的目的。

1,稳压二极管的特性和参数

稳压二极管最重要的特性,当然就是保持电路电压的稳定;但是如何正确的使用稳压二极管,起到我们所期望的作用呢?或者在哪些应用场合,我们不可以用稳压二极管的?那我们就从理解下面这些特性开始:

1. 正向偏置状态下,同普通二极管特性一样:正向导通,随正向偏压的提高,正向电流变化很大;

稳压二极管正向通流能力一般不会太大,如果在实际应用中有正向导通的场景,需要分析其正向导通特性的参数,避免出现过流损坏等情况。

2. 反向偏置状态下,当反向电压没达到VBR之前,稳压二极管基本没导通;当接近VBR值时开始导通,产生IR电流;

一般情况下,稳压二极管的正常工作电压不应该落在该区间,没起到稳压的作用。

3. 当反向偏置增加,对应的反向偏压就是齐纳击穿电压;为了使二极管保持在稳定状态,必须维持最小的反向电流Iz(min);

这是稳压二极管的工作区间,同时根据I-V曲线,可以看到正常工作有最小反向电流的要求,如果反向电流过小,那么对应的反向电压也会随之变小,不在稳压范围之内。

4. 当反向电流高于曲线拐点处的电流Iz(max)时,电压出现剧烈变化,二极管被物理性损坏,此时就是雪崩击穿电压;

随着稳压电流的增大,稳压二极管会从齐纳击穿变为雪崩击穿,造成器件损坏。

5. 保持稳压二极管的反向电流在Iz(min)~ Iz(max)之间,二极管的两端电压就能保持近似恒定。

稳压电流就算在要求范围之内,也并非是固定不变的,是有变化范围的,取决于不同稳压二极管个体的差异。

稳压二极管和TVS管

从上述的特性可以看到,稳压二极管的应用主要取决于它的参数,我们要正确、有效的运用稳压二极管,必须仔细分析其相关参数,并相应做好硬件设计:

1. 稳定电压Vz: 指稳压二极管通过额定电流时两端产生的稳定电压值,该值随工作电流和温度的变化而改变;例如,BZV55-C16的Vz(min)为15.3V, Vz(max)为17.1V;

稳压二极管的稳压范围,相对电源芯片来说还是比较大的,而且随着电流、温度以及稳压二极管个体的变化而变化;所以,是否能够将它作为基准电压,要看实际应用需求和具体稳压二极管的参数。

2. 额定电流Iz: 指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值;低于此值时稳压效果会变差,高于此值时,只要不超过额定功率损耗,稳压性能会更好一些,但需要多消耗电能;

如上特性中所述,不是随便在电路上加上一个稳压二极管就能起到稳压效果,其反向电流:Iz满足一定的条件才行;所以在稳压二极管和电源之间串一个合适的电阻,是一个不错的选择。

3. 动态电阻Rz:也称“齐纳阻抗”,指稳压管两端电压变化与电流变化的比值;一般工作电流愈大,动态电阻则愈小;例如,2CW7C工作电流=5mA时Rz=18Ω,工作电流=20mA时,Rz=2Ω ;

电路中所需的稳压电压需要计算动态电阻与外部电阻的分压。

4. 额定功耗Pz:由芯片允许的温升决定,数值为稳定电压Vz和最大电流Izm的乘积;例如,2CW51稳压管的Vz=3V,Izm=20mA,则该管Pz = 60mW;

额定功耗决定了稳压二极管的最大不被损坏的热耗,需根据电路最大电应力来计算。

5. 反向漏电流IR:指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流;例如,2CW58稳压管的VR=1V时,IR=0.1uA;在VR=6V时,IR=10uA。

6. 温度系数α:指稳压管稳定温度变化1℃引起两端电压的相对变化(﹪/℃)。

这个参数常常被忽略,在PN结章节我们分析过,由于少子的浓度与温度有很大的关系(每上升10℃,反向漏电流增加4倍),所以稳压二极管温度的变化会造成两端电压变化,如果对稳压电压有较高的要求,那么必须分析单板最大环境应力并对照温度系数,进行计算。

2,稳压二极管的应用

稳压二极管主要有如下两方面的应用:

1. 在稳压电源中作为基准电压源,类似TL431;

2. 在过电压保护电路中作为保护二极管;

稳压二极管和TVS管

稳压二极管具体在不同电路中的应用比较广泛,举例如下:

1. 简易稳压电路:利用二极管稳压特性,实现小电流输出稳压;

2. 改进型稳压电路:利用二极管稳压特性,实现较大电流输出稳压;

稳压二极管和TVS管

3. ESD保护电路:利用二极管的反向偏置特性,防止LED静电损坏;

4. 过压保护电路:利用二极管导通特性,触发可控硅SCR对输入电压端进行限制;

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5. 信号幅度钳位:利用二极管对input信号的幅度大小进行限制。

稳压二极管和TVS管

二,TVS管

TVS二极管主要工作在雪崩击穿区,我们先来回顾下雪崩定义:由于电场作用,当电子穿越空间电荷区时能量会增加,当增加到一定程度并与耗尽区原子内的电子发生碰撞时,便会产生新的自由电子-空穴对,于是发生了雪崩效应。雪崩效应必须要有足够大的空间电荷区距离,所以与稳压二极管相反,PN区的掺杂浓度要低。

稳压二极管和TVS管

TVS管全称:瞬态抑制二极管;它是一种高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(ps级)和相当高的浪涌吸收能力。所以TVS管的主要作用是:以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,把两端电压箝制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

不错,TVS管是保护后端电路的器件,而且它能够吸收非常大的瞬态能量,主要用于静电以及浪涌的防护上。当然,下方的示意图只是一个理想的防护效果,实际上抑制电压不会是一条水平线,会随浪涌电流的大小而变化。

稳压二极管和TVS管

1,TVS管的基本参数

TVS二极管与稳压二极管相似的地方是:两者都起作用在击穿区;不同是:稳压二极管工作在齐纳击穿区,而TVS管工作在雪崩击穿区。所以它们都关注反向击穿的参数,但反向击穿参数的性质完全不同。

TVS管正常工作状态时并不会触发雪崩击穿,也不会齐纳击穿,而是处于反向截止区。

老子不出手则已,一出手就是大招;所以不要看TVS管放在那里好像没啥鸟用,关键时刻它会用自己的性命来保卫大家的安全。

接下来我们分析TVS的主要参数:

1. 最小击穿电压VBR:TVS最小的击穿电压,流过规定电流1mA(IT)时的电压,在25℃时,低于VBR电压时不会发生雪崩;

VBR参数为触发浪涌泄放的最小电压,浪涌钳位电压可以从VBR开始计算。

2. 击穿电流IT:一般规定反向电流为1mA为击穿电流;

3. 额定反向工作电压VRWM:在正常状态时可承受的最大电压,电路的工作电压需要小于该电压;

4. 最大反向漏电流IR:二极管反向截止时最大漏电流,对应VRWM电压点的电流,截止状态流过它的电流应小于或等于IR;

VRWM参数由TVS管在电路中正常信号的最大工作电压决定,而反向截止漏电流在电路正常工作时会一直存在,如果产品特别关注低功耗设计,则需要关注。

5. 最大钳位电压VC: 当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压;VC不能大于被保护电路可承受的最大电压,否则被保护器件可能被损坏;

6. 最大峰值脉冲电流IPP:TVS瞬间吸收电流的最大能力,反映了TVS管的浪涌抑制能力;

Vc和Ipp决定了TVS管最大泄放浪涌的能力:E=Vc*Ipp*t。

稳压二极管和TVS管

稳压二极管和TVS管

7. 最大反向脉冲电流Ippm:在规定脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值浪涌电流;

8. 最大反向钳位电压Vppm:在Ippm条件下最大反向钳制电压(Vc);

如下右图为器件允许10uS/100us下最大浪涌能量,这种特殊波形与EMC认证要求相关。

稳压二极管和TVS管

9. 额定脉冲功率Pppm:最大钳位电压和最大反向峰值脉冲电流的乘积;

10. 最大峰值脉冲功耗PM:TVS所能承受的最大峰值脉冲功耗值;在特定VC下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在特定的功耗PM下,钳位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大;如果电路内出现重覆性脉冲,应考虑脉冲功率的累积效应;

TVS管过温损坏与器件正常工作温度以及器件功耗相关,一旦超过器件所能承受的最大温度,TVS管将会被烧坏,需仔细评估多种因素,尽量保证TVS管在正常工作范围内不被损坏。

11. 电容量C:由TVS雪崩结截面决定,在1MHz频率下测得, C的大小与TVS的电流承受能力成正比;C会增加线路上寄生电容,从而影响电路上信号质量,需根据电路信号特性来选择TVS管C的范围;

TVS管正常工作在反向截止区,所以该电容主要是势垒电容,高速信号链路上挂TVS管需特别关注。

12. 双向TVS管的V-I特性,如同单向TVS管“背靠背”组合,其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和钳位特性。

稳压二极管和TVS管

2,TVS管应用场景

TVS管用于对电路元件进行ESD和浪涌防护;主要涉及的防护电路是:外部输入电源、对外通信接口以及设备面板上可触碰到的开关、按键、指示灯等。那为什么这些地方需要加TVS管防护呢?

1. 首先,外部输入电源:本身电网传输存在不稳定和被干扰的情况,而且在启机和关断的瞬间也会存在较大浪涌电流;

2. 其次,对外通信接口:线缆方式从外部接入设备的,室内布线若靠近电网从而导致耦合干扰,室外走线可能会受到雷击等影响;

3. 最后,面板按键、开关:主要防护可能被人体接触导致的静电。

所以,我们看到每个接口的浪涌防护等级是不一样的,电源接口需防护浪涌能量最大,对外通信接口室外走线防护要大于室内走线的浪涌防护,静电电压最高但是需防护的能量却是最小。

TVS管最主要的优点有:体积小、功率大(400W~30KW)、响应快(ps)、无噪声、防护电压范围大(6.8V~550V);下面我们看下具体应用:

1. 电源输入接口(浪涌):交直流电源接口;根据对电源口的防护等级要求,放置合适防护等级TVS,气体放电管,压敏电阻等;

稳压二极管和TVS管

2. 通信接口(浪涌):RS232,RS485/CAN,100/1000M网口等;根据防护等级要求不同(室内/户外,CE/FCC/3C等),以及信号速率,放置合适防护等级TVS管;

稳压二极管和TVS管

3. 面板信号接口(ESD防护二极管):复位按键,板内连接器,Alarm/Control接口等;对ESD防护要求不高且信号影响不大的接口,可以用高耐压pf级别陶瓷电容替代;

稳压二极管和TVS管

3,TVS管与其它防护器件的比较

3.1 TVS和稳压二极管的比较

在讲TVS管基本参数时已说了一部分与稳压二极管差别,主要它们工作的区域不一样,所以二极管本身设计的侧重点也不同(齐纳击穿区和雪崩击穿区),如下详细列出它们之间的比较:

1. 两者都是利用它们的反向工作特性,反向接入电路工作;

从原理设计上看,两种二极管都是反向接在电路上的:高电平接N,低电平接P。

2. TVS管工作在雪崩击穿区,具有更高的浪涌防护能力(功率大,瞬时工作);稳压二极管工作在齐纳击穿区,反向工作电流在mA级别(功率小,长期工作);

稳压二极管正常工作状态在:齐纳击穿区,TVS管正常工作状态在:反向截止区。

3. TVS管要求有更快的响应速度(ps级别),而稳压二极管一般不关注响应时间;

由于TVS正常工作在反向截止区,所以一旦过压就必须尽快泄放掉浪涌电流;稳压二极管一般电路上电时就会自然过渡到齐纳击穿区,后续一直工作在这个状态,一般不需要瞬态响应。

4. 稳压二极管的反向钳位电压精度高,TVS管反向钳位电压范围更大;

5. TVS管主要用于ESD和浪涌防护,防止瞬时大能量导致器件损坏;稳压二极管主要用于保证后级电路的信号电平幅度。

3.2 TVS和空气放电管、压敏电阻、TSS管的比较

我们首先用直观的图表形式来比较,看这几个器件的差别。

稳压二极管和TVS管

那为什么他们会有这些不同的特性呢?主要取决于不同器件的V-I电特性、材料以及器件结构。如下为TVS管,压敏电阻,空气放电管和TSS管的V-I特性图。

稳压二极管和TVS管