Toshiba TVS防护电路的应用

        瞬态抑制二极管(TVS)又叫钳位二极管,是国际上普遍使用的一种电路保护器件,能吸收高达数千瓦的浪涌功率,主要特点是在反向应用条件下,当承受一个高能量的大脉冲时,其工作阻抗立即降至极低的导通值,从而允许大电流通过,同时把电压钳制在低準位,响应时间短,因此可有效地保护电子线路中的元器件。TVS管目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表(电度表)、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。


一. 主要参数

  1. 击穿电压V(BR) : 器件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,在此区域内,二极管成为低阻抗的通路。
  1. 最大反向脉冲峰值电流IPP : 在反向工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。IPP与最大钳位电压VC(MAX)的乘积,就是瞬态脉冲功率的最大值。使用时应正确选取TVS,使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。



二. 电路应用

  1. 在GPS、WLAN、Wi-Fi等无线应用中,天线是ESD冲击进入系统的低阻抗路径,并损坏下游电路,如滤波网络、放大器或收发器。这些应用中的信号频率最高可达15Ghz这意味信号路径上的任何电容必须最小化,以避免信号衰减。这个这些信号的峰间电压通常不超过±1 V,TVS管必须具有承受这些电压波动的电压。

 




   

  1. 音频插孔和连接器是ESD进入系统的入口点。音频信号在放大前通常不超过±5 V,但在放大后可达到更高的电压。因模拟音频会有正负电压波动,TVS需双向,以防止干扰信号的过早击穿。

 




  1. 手机、笔记本电脑和电视的按钮/键盘是ESD进入系统提供低阻抗路径。 这些I/O信号通常是低速和低电压(<5 V),由于按钮的信号频率较低,可以不需要低电容的TVS管。

 



  1. 4–20 mA是传感器在工业应用中最常见的传输接口信号标准之一。 在高电压准位上,可编程逻辑控制器(PLC)将为系统提供电压源。PLC中的接收器会接收传感器从外部环境接收到的数据信号,其形式为4–20 mA电流。 这种4–20 mA环路的优点是传输数据时几乎不会有信号丢失。但是,由于4–20 mA电缆可能很长,因此存在ESD和浪涌脉冲耦合到电缆上并损坏系统的风险。TVS管必须放置在发送端、 电压源和接收端上, 以保护它们不受浪涌或ESD冲击的影响。






三. 东芝提供的TVS二极管(ESD保护二极管),它可以保护设备免于从外部终端穿透的异常瞬态电压的影响,并防止损坏和故障。

  1. TVS二极管(ESD保护二极管)通常放置在信号线和GND之间。因此,在稳态运行中,二极管将作为电容(端对端电容)。根据信号速度(特别是高速信号USB 3.0和USB 3.1),这些电容作为阻抗被包括在内,从而导致信号损耗(插入功率损耗:插入损耗)和信号质量下降。端子间电容Ct越大,插入功率损耗越大(数值容易出现显着的负波动),无法跟踪信号速度。为了防止这种信号减弱,必须选择终端电容与信号速度相适应的TVS二极管。东芝针对高速信号线提供具有低终端电容的低容量系列。


低电容TVS二极管


Ct : 0.2pF ~ 0.5pF
Ct : 0.5pF ~ 1.5pF

2. 在IEC61000-4-2(触点)的ESD抗扰度试验中,施加ESD的瞬时电压被称为第一峰值脉冲电压。电压越高,对后续电路的影响越大(ESD造成损坏或故障)。通过安装TVS二极管(ESD保护二极管),第一峰值脉冲电压可以保持在较低的水平,且ESD耐受能  力得以提高。东芝的DF2BxM5系列(EAP-V)通过优化工艺,与DF2BxM4系列(EAP-IV)相比,第一峰值脉冲电压降低了约50%。低电容TVS二极管采用最低的第一峰值脉冲电压实现了高的ESD保护


           第一峰值電壓降低TVS管






四. TVS的选用技巧:

  1. 确定被保护电路的最大直流或连续工作电压和电路的额定电压
  2. TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压,并行连接分电流。
  3. TVS的最大钳位电压应小于被保护电路的损坏电压。
  4. 在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大钳位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
  5. 对于数据接口电路的保护,必须注意选取具有合适电容的TVS器件。
  6. 根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。
  7. 瞬态电压抑制器可以在-55℃~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度工作,由于其反向漏电流ID是随增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25℃~+175℃,大约线性下降50%, 而击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此, 必须考 虑温度变化对其特性的影响。



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