TVS管的运用

1）TVS管原理和特性

本文主要介绍原理特性和参数，分析一下散热选取，最后把PCB总结一下。

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，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【VBR】

TVS在发生击穿的区域内，在规定的试验电流IBR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。

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

电路设计必须在认真考虑和选用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。

2）TVS选择和验证

针对这些参数则需要我们细心的去选择和计算，这里把方法主要的介绍一下。我们最主要的还是验证峰值功率和平均功率，而在产品说明书上一般只给出25度时候的功率曲线，这个功率曲线一般和脉冲的宽度是有关的，如下图所示：

实际上，不仅仅是和脉冲宽度有关，和温度也有直接的关系，如下图所示：

结合以上两个图，我们能够得到我们的TVS管能够吸收的能量了，根据实际的模块的温度，来对TVS管的功率曲线进行降额的处理。我们首先要把可能遇到的脉冲通过计算转化成我们可以预计的最大I.PP

我们只需要对比：

TVS脉冲功率PPR=K1×K2×VC(max)×Ipp，

式中

K1为功率系数，K2为功率的温度系数。

如果是连续多个脉冲还需要降额使用。

和实际信号功率Pd=Vc_max×（Voc-Vc_max）/Zs。同样的E=∫i(t)×V(t)dt也可由能量去判断平均是否可以释放，不过前面的是必须要完成的。实际上有个问题我们必须要处理，一般的Vc_max要比Vbr要大一些，我们需要估计真正的Vc是什么值，这里必须通过测试的手段获得一些参考值。VC = (I.P/I.PP)(VC_max – V(BR)_max) + V(BR)_max

计算值和实际测试值存在一定的偏差。还有另外几个事情需要我们注意的，TVS的参数Vbr和Ir都随着温度变化，需要仔细考虑这个影响。

3）TVS管的功率计算