1.  電路中為啥要加TVS


    顧名思義，TVS(Transient Voltage Suppressor)，就是對(duì)電路中短暫存在的高電壓進(jìn)行抑制，以免此高電壓對(duì)電路造成損害，或?qū)е码娐饭ぷ鳟惓?。那么工作的好好的電路中，怎么?huì)突然出現(xiàn)瞬時(shí)高電壓呢？主要有以下原因：


    ESD，積累的靜電突然釋放到電路中。人們用手觸摸到設(shè)備，身上的靜電打壞設(shè)備，是最常見(jiàn)的一種方式。除了人體，各種沒(méi)有連到大地的物體，都可能會(huì)積累靜電。我們把電路板設(shè)計(jì)好，怎么知道它在關(guān)鍵時(shí)刻能不能頂?shù)米∧?？總不能用手摸?lái)摸去，看它壞沒(méi)壞。這就有了抗靜電實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2，其中人體模型HBM(Human Body Model)用來(lái)模擬人體放電，機(jī)器模型MM(Machine Model)用來(lái)模擬金屬等物體放電，其中分為不同的嚴(yán)苛等級(jí)。


    我們知道：


    對(duì)于電容 i=c*du/dt 電壓的突變，會(huì)導(dǎo)致大的感生電流


    對(duì)于電感 u=L*di/dt 電流的突變，會(huì)導(dǎo)致大的感生電壓


    大的容性負(fù)載，感性負(fù)載，電機(jī)，繼電器的動(dòng)作，常常會(huì)在電路中感生出數(shù)百伏的高電壓。如果源端是感性的，比如汽車?yán)锇l(fā)電機(jī)給蓄電池充電，把蓄電池突然拿掉(電流瞬間突變到0)，也會(huì)在電路中感生出高電壓。高頻的電流跳變，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，通過(guò)空間傳播，在臨近的電路中也能感生出尖峰電流。


    閃電，毫無(wú)疑問(wèn)，如果電路板被閃電直接擊中，那一定是被秒殺。而如果電路板有金屬外殼，然后用粗的導(dǎo)電金屬帶連到大地，那應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。但是電路板一般通過(guò)外部接入220V供電，或者有通訊電纜連出來(lái)，那情況就很危險(xiǎn)了，即使沒(méi)被直接擊中，由于強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)感生出的電壓，也足以造成滅頂之災(zāi)。


    2.  如何選擇防護(hù)器件


    對(duì)于雷擊這種事件，需要在線路中依次放置放電管，壓變電阻，TVS，才能較好的防護(hù)。放電管和壓變電阻動(dòng)作慢一些，但可以承受大電壓，大電流，作為第一級(jí)防護(hù)。TVS反應(yīng)超快，可以作為第二級(jí)防護(hù)。當(dāng)然對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最主要的還是對(duì)ESD和感生瞬變電壓的防護(hù)。


    我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，首先要明確，需要通過(guò)哪些標(biāo)準(zhǔn)，以及過(guò)什么等級(jí)。下面是最常采用的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：


    IEC 61000-4-2  靜電放電抗擾度；


    IEC 61000-4-4  電快速瞬變脈沖群抗擾度；


    IEC 61000-4-5  浪涌抗擾度；



    對(duì)于ESD靜電放電(IEC 61000-4-2)來(lái)說(shuō)，它的電壓上升時(shí)間非常短(1ns左右)，所以要求保護(hù)器件動(dòng)作要非常迅速，而一個(gè)有利因素是，測(cè)試時(shí)放電間隔，一般會(huì)大于1S，所以不會(huì)有太多的能量沖擊，這和實(shí)際情況比較相符。而對(duì)于快速脈沖群(IEC 61000-4-4)來(lái)說(shuō)，它的電壓上升時(shí)間比靜電稍慢一些(5ns左右)，但是重復(fù)頻率特別高，大家在上面表里可以看到， 1秒鐘之內(nèi)，最少也有5千個(gè)高壓脈沖，所以它對(duì)保護(hù)器件能經(jīng)受的功率要求要大一些。

    對(duì)于IEC61000-4-5，浪涌測(cè)試來(lái)說(shuō)，它的能量要大得多。倒不是因?yàn)樗碾妷河卸喔撸且驗(yàn)樗拿}沖寬度(數(shù)百微秒)，是靜電放電脈沖寬度(數(shù)十納秒)的上千倍。我們選擇保護(hù)器件，就要根據(jù)需要過(guò)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，有針對(duì)性地進(jìn)行選擇。

3.  認(rèn)識(shí)TVS


我們知道對(duì)于二極管，一般來(lái)說(shuō)，PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截止。說(shuō)了一般，那肯定還有二般情況，就是反向電壓超過(guò)一個(gè)限制后，二極管就不再是截止?fàn)顟B(tài)了，而是會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，或齊納擊穿，也可能兩者都有。此時(shí)，反向電阻很小，導(dǎo)通電流很大，電壓被鉗制在一個(gè)比較固定的水平。TVS就是利用這一特性，來(lái)對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行保護(hù)。


TVS分為單向保護(hù)管(用于直流電路保護(hù))，和雙向保護(hù)管(用于交流電路保護(hù))。那么我們以Wayon一款雙向TVS為例，來(lái)了解一下它的關(guān)鍵參數(shù)。



    圖片來(lái)源于Wayon TVS手冊(cè)


    TVS主要參數(shù)


    Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作電壓，或者說(shuō)截止電壓。就是說(shuō)，加這個(gè)電壓時(shí)，管子仍然是截止的，或者說(shuō)漏過(guò)去的電流非常小，通常1nA 左右。那么超過(guò)這個(gè)最高工作電壓，會(huì)怎么樣呢？這里要注意，電壓超過(guò)Vrwm后，TVS并不會(huì)馬上動(dòng)作，也不像有的文章說(shuō)的會(huì)劣化，損壞，而是漏電流增加的速度快一些。


    VBR (Breakdown Voltage) 擊穿電壓。當(dāng)電壓超過(guò)此電壓，漏電流開始急劇增加。這里所謂擊穿，不能理解為器件損壞，而是正常動(dòng)作。


    Vc (Clamping Voltage) 鉗位電壓。這也是一個(gè)重要指標(biāo)，就是當(dāng)一個(gè)電壓很高的脈沖來(lái)了，TVS器件從截止?fàn)顟B(tài)，變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電壓被鉗制在一個(gè)比較低的水平，電流從TVS通過(guò)，回流到地，從而保護(hù)了后級(jí)電路。



    Ipp (Peak Pulse Current) 峰值脈沖電流。器件所能承受的最大脈沖電流。注意是脈沖，脈沖，脈沖，重要的事情說(shuō)三遍。如果連續(xù)通過(guò)這么大的電流，馬上死翹翹。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我們?cè)u(píng)估器件時(shí)，如果脈沖寬度比較窄，那么最大電流可以超過(guò)Ipp，相反，如果脈沖寬度比較寬，電流小于Ipp 也會(huì)造成器件損壞。


    Cj(Junction Capacitor) 結(jié)電容。低速電路不用管，如果是高速電路，這個(gè)電容會(huì)導(dǎo)致信號(hào)變形。此電容越小越好。


    我們結(jié)合一個(gè)器件手冊(cè)看一下：

  

    超過(guò)峰值功率/電流，會(huì)引起器件損壞。

    資料來(lái)源于Wayon TVS產(chǎn)品手冊(cè)


    這里有爭(zhēng)議的可能是Vrwm，也就是截止電壓。如果工作電壓是5V，那么選TVS器件的時(shí)候可以選Vrwm=5V的器件嗎？我們的意見(jiàn)是可以選。理由是我們可以從特性曲線看到，即使工作電壓有波動(dòng)超過(guò)了5V，那漏電流仍然在可以接受的范圍內(nèi)。比如當(dāng)電壓波動(dòng)到5.6V，此時(shí)漏電流只有1mA。而且我們?cè)谝恍┕俜绞謨?cè)中，也可以找到例子。比如對(duì)于USB端口，電壓5V，就用到了Vrwm=5V的器件。