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理解TVS二极管:工作原理、特性及选用技巧

2024-05-07 10:45:13 5,138

TVS二极管全称为瞬态电压抑制二极管,又称钳位二极管,是一种专门设计用于保护电子电路免受过电压损害的电子元件。当电路中出现如静电放电(ESD)、雷击或其他瞬态电压事件时,TVS二极管能够迅速响应,其反应时间通常在10-12秒量级。

在正常工作条件下,TVS二极管呈现高阻抗状态,对电路几乎没有影响。然而,一旦两端的电压超过预设的阈值(即击穿电压),TVS二极管会立即转变为低阻抗状态,这个过程中它可以吸收大量的瞬态能量(高达数千瓦),将两端的电压箝位在一个安全水平,从而保护后端的敏感电子元件免受过电压的损害。

TVS二极管分为单向和双向两种类型。单向TVS类似于稳压二极管,适用于直流电路的保护;而双向TVS则可以应对正负两个方向的电压尖峰,通常用于交流电路或双向信号线路的保护。它们广泛应用于各种电子系统中,比如I/O接口、电源输入线、通信线路(如RS232、RS485)等,是电子设计中常见的保护措施之一。

TVS二极管符号

单向/双向 TVS 二极管的符号

单向 TVS 二极管                                                 双向 TVS 二极管

TVS二极管特性参数

① 反向断态电压(截止电压)VRWM 和反向漏电流IR

反向断态电压(截止电压)VRWM代表TVS二极管不导通的最高电压,在此电压下只有很小的反向漏电流IR。

② 击穿电压VBR

是指TVS二极管通过规定的测试电流IT时的电压,是指示TVS二极管导通的标志电压(P4SMA、P6SMB、1.5SMC、P4KE、P6KE、1.5KE系列型号中的数字为击穿电压标称值,其他系列号为反向断态电压值)。 TVS二极管的击穿电压误差范围为±5%(不含“A”时为±10%)。

③ 脉冲峰值电流IPP

TVS二极管允许的10/1000μs波的最大峰值电流(8/20μs波的峰值电流约为其5倍),电流值超过此值可能会造成永久性损坏。在同一系列中,击穿电压较高的二极管将允许通过较少的峰值电流。

④ 最大钳位电压VC

TVS二极管钳位电压是指当脉冲峰值电流IPP流过时,TVS二极管两端呈现的电压。

⑤ 脉冲峰值功率Pm

脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与最大钳位电压VC的乘积,即Pm=IPP*VC。

TVS 二极管的传导特性

TVS二极管按极性可分为单极型和双极型,也可分为单向TVS二极管和双向TVS二极管。如何区分它们?单向TVS二极管的一端标有细色环,接正极;双向TVS二极管中间有两个环标记,或者不标记,没有极性。

1、单向TVS二极管的VI特性:单向TVS二极管的正向特性与普通稳压二极管相同,反向击穿拐点近似“直角”,为硬击穿,是典型的PN结雪崩设备。从击穿点到Vc值的曲线段表明,当存在瞬态过压脉冲时,器件的电流急剧增大,反向电压升至钳位电压值并保持在该水平。

2、双向TVS二极管的VI特性:双向TVS二极管的VI特性曲线就像两个单向TVS二极管的“背对背”组合。正反方向均具有相同的雪崩击穿特性和钳位特性。击穿电压对称关系为0.9≤V(BR)(正向)/V(BR)(反向)≤1.1,一旦两端施加的干扰电压超过钳位电压Vc,立即受到抑制,双向TVS二极管在交流电路中使用非常方便。

TVS二极管工作原理

接下来道合顺将详细介绍TVS二极管的工作原理

TVS二极管,即瞬态电压抑制二极管,又称雪崩击穿二极管,是采用半导体工艺制成的单PN结或多PN结集成器件。 TVS二极管分为单向和双向。单向TVS二极管一般用于直流电源电路,双向TVS二极管用于交流电压电路。当应用于直流电路时,单向TVS二极管与电路反并联。电路正常工作时,TVS二极管处于截止状态(高阻状态),不影响电路的正常工作。

TVS二极管工作原理

当电路中出现异常过压并达到TVS二极管的击穿电压时,TVS二极管迅速从高阻态变为低阻态,将异常过压引起的瞬时过流泄放至地,同时将异常过压钳制在较低水平,从而保护后续电路免受异常过压损坏。当异常过压消失后,TVS二极管的阻值又恢复到高阻状态。

TVS二极管的检测方法

如何测试TVS二极管您可以在以下部分找到答案。

检测TVS二极管的好坏,可以使用万用表进行简单测试,具体步骤如下:

单极型TVS二极管检测方法:

  1. 准备工具:使用数字万用表,并将其设置在电阻档的R×1k挡。

  2. 正向电阻测量:将万用表的红表笔接TVS二极管的一个引脚,黑表笔接另一个引脚,测量正向电阻。对于大多数单极型TVS,正向电阻应在4.5kΩ左右(有时表示为4k5)。如果测得的正向电阻远偏离这个值或者接近无穷大,可能表明二极管损坏。

  3. 反向电阻测量:调换表笔位置,再次测量电阻值。在反向偏置下,正常的TVS二极管应显示出高电阻,接近无穷大。如果测得的反向电阻不是无穷大,而是有明显读数,那么二极管可能已损坏。

双向型TVS二极管检测方法:

  1. 正反向电阻测量:对于双向TVS二极管,无论表笔如何连接到两个引脚,测量到的电阻值都应该是无穷大。这是因为双向TVS设计用于在两个方向上都能承受过电压冲击,所以不存在明显的正向或反向。

  2. 交换表笔重复测量:为了确认这一点,需要多次交换表笔的位置重复测量。如果在任何一次测量中电阻不是无穷大,那么该双向TVS二极管可能性能不良或已损坏。

注意事项:

  • 在测量前,请确保电路断电,避免其他元件的影响或造成短路。

  • 检测时要确保万用表的挡位设置正确,使用R×1k挡通常适用于大多数情况,但具体还需参考TVS二极管的数据手册推荐。

  • TVS二极管的参数(如正向电阻值)可能会随制造商和型号有所不同,上述数值为一般指导值,最好参照具体型号的数据手册进行比对。

TVS 二极管数据表

TVS 二极管数据表

第一列和第二列是特定于设备的,我们不关心它。 REVERSE STAND-OFF VOLTAGE VRWM(V)是TVS二极管的工作电压,保证正常工作时TVS管两端的电阻很大,从而保证TVS二极管吸收的电流可以忽略不计。一般情况下,该值等于或略大于正常工作电压。 BREAKDOWN VOLTAGE VBR(V) MIN & MAX @IT(反向击穿电压)表示在直流电流IT条件下测得的反向电压值,表明器件从此点进入反向雪崩击穿。 TEST CURRENT IT (mA) 用于指定器件的反向击穿电压值。最大钳位电压 @IPP Vc(V) 是指在指定脉冲时间 tr/tp 内施加到器件的最大电压。峰值脉冲电流IPP(A)是指器件在规定的时间tr/tp内允许的最大峰值脉冲电流。反向漏电流 @VRWM IR(uA) 是工作电压为 VRWM 时流过 TVS 二极管的反向电流。

还有:Cj结电容主要是指TVS二极管接GND或IO时的电容值。还有一些TVS二极管在高速IO上用作保护,也会给出插入损耗@Freq,以确认是否可以用作保护器件。了解这些参数后,您就可以选择合适的器件用于您自己的电路中。这样的选择原则在网络上很流行。① TVS额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。②最小击穿电压VBR=VWM/KBR(其中,KBR=0.8 ~ 0.9)。 ③TVS的最大钳位电压VC应小于被保护电路的损坏电压,即VC=KC × VBR(其中KC=1.3)。④在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路中可能出现的峰值脉冲功率。确定最大钳位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

TVS二极管和稳压二极管的区别

TVS 二极管与稳压二极管

工作原理

• TVS 二极管:根据雪崩效应工作。当出现高能量瞬态过压脉冲时,其工作阻抗可立即降至很低的导通值,允许最大电流通过,并将电压钳位在预定水平,从而保护电路中的精密元件免受损坏。

稳压二极管:根据齐纳隧道效应工作。当反向电压达到并超过稳定电压时,反向电流突然增大,二极管两端电压恒定。

分类

• TVS二极管:按极性可分为单极型和双极型;按用途可分为通用型和特殊型。

•稳压二极管:根据稳压等级可分为低压稳压二极管(40V以下)和高压稳压二极管(200V以上);按材质可分为N型和P型。

主要参数

• TVS二极管:反向击穿电压(VBR)、反向漏电流(IR)、最大反向工作电压(VRWM)、最大钳位电压(VC)、电容值(CJ)、最大峰值脉冲电流(IPP)、反向脉冲峰值功率(PPR)等

•稳压二极管:稳定电压(VZ)、稳定电流(IE)、动态电阻(RZ)、最大功耗(PZM)、最大/最小稳定工作电流(IZmax/IZmin)、温度系数(AT)等。

目的

• TVS二极管:用于瞬态电压保护;从电压精度来看,TVS二极管处于一个范围内;就电流容量而言,TVS二极管可以达到数百安培;从稳压值来看,TVS二极管为6.8V-550V;

稳压二极管:漏极和源极的钳位保护;在电压精度方面,稳压二极管更准确;在电流容量方面,稳压二极管浪涌电流小;稳压值方面,稳压二极管为3.3V-75V。

TVS二极管和压敏电阻的区别

TVS二极管和压敏电阻都是用于保护电子电路免受过电压损害的元件,但它们在结构、工作原理、性能特点等方面存在一些关键区别:

  1. 结构与材质

    • TVS二极管:基于P-N结或P-I-N结构的半导体器件,通常由硅材料制成,具有快速响应的特性。

    • 压敏电阻:主要是以氧化锌(ZnO)为基础的陶瓷半导体产品,采用多层积层结构,通过调整层间材料来控制其击穿电压和静电容量。

  2. 工作原理

    • TVS二极管:在正常情况下呈现高阻态,当两端电压超过击穿电压时,迅速转变为低阻态,允许大电流通过,从而钳制电压。其特性与稳压二极管类似,但响应速度更快。

    • 压敏电阻:利用其非线性伏安特性,在正常电压下阻值很高,当电压超过某一阈值时,阻值骤降,吸收过电压能量,起到保护作用。其反应速度较慢。

  3. 响应速度

    • TVS二极管:响应速度快,可达皮秒(ps)级,适合于保护高速信号线和集成电路。

    • 压敏电阻:响应速度较慢,通常为纳秒(ns)级,适合于电源线和低速信号的保护。

  4. 浪涌电流处理能力

    • TVS二极管:相对于压敏电阻,TVS管在吸收大浪涌电流的能力上可能稍逊,但高端TVS也能处理相当大的电流。

    • 压敏电阻:能承受较大的浪涌电流,尤其是体积较大的压敏电阻,其浪涌电流处理能力可达数十千安培至上百千安培。

  5. 电压钳位特性

    • TVS二极管:击穿后电压钳位特性较好,限制电压偏离击穿电压较小,且更为稳定。

    • 压敏电阻:非线性特性较差,大电流时限制电压较高,低电压时漏电流较大。

  6. 使用寿命与可靠性

    • TVS二极管:通常有较好的稳定性和较长的使用寿命。

    • 压敏电阻:可靠性高,不易劣化,寿命较长,但长期处于高电压环境可能导致性能退化。

  7. 成本与应用

    • TVS二极管:成本相对较高,适用于对响应速度要求高的精密电子设备。

    • 压敏电阻:成本较低,尺寸小,适用于成本敏感型应用和对体积有严格要求的场合。

压敏电阻好还是TVS二极管好?在实际电路保护中,最重要的是对抑制对象和保护对象有充分的了解。小结:在能量较小的脉冲电压情况下,为防止被保护对象因瞬态过电压而损坏,一般建议使用TVS二极管;对于能量吸收较高的浪涌电流/电压,建议使用压敏电阻。

 

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