如何选择瞬态电压抑制器？了解其类型、应用及优缺点

保护电路免受电压尖峰的影响非常重要。

瞬态电压抑制器 (TVS) 在保护敏感元件免受电涌、雷击和其他电气干扰产生的可怕电路尖峰的影响方面发挥着关键作用。

电子设备设计得越来越复杂、越来越小，因此更容易受到瞬态电压的破坏。瞬态电压是瞬间、短周期的电压尖峰，可能显著超过设备的标准工作电压。为了降低这些可能造成损坏的电压，瞬态电压抑制器可用于多种用途，从消费电子产品到大型工业系统。

在本篇内容，道合顺将详细介绍瞬态电压抑制器、其类型、抑制设备、应用以及各种优缺点。

1、什么是瞬态电压抑制器？

瞬态电压抑制器 (TVS) 是一种半导体器件，其结构可保护电子电路免受瞬态电压尖峰的影响。当瞬态电压超过 TVS 的特定钳位电压时，TVS 会导电，将过量能量从要保护的易受影响的组件上分离出去。

当瞬态电压消失后，TVS 恢复到非导通特性，使安全电路正常工作。

瞬变是电压的暂时和突然峰值，会严重影响电路，造成轻微中断甚至灾难性损坏。电压瞬变可持续数纳秒到数千毫秒，电压从毫伏到数百伏不等。有些瞬变（如电机中的电感振铃）是重复性的，有些瞬变（如 ESD 事件）是周期性的。下图显示了正在热插拔的设备。

2、瞬态的起源

瞬变可以源自电路的外部和内部集成。以下是一些外部产生电路的示例：

· 数据/输出线或信号输入

I2C

以太网

串行通信

· 电源输入线

通过打开集成到类似电源的其他工具来产生感应开关。

雷击浪涌

· 其他连接电缆，如地线

静电放电 (ESD) 是另一种外部电压瞬变。这些事件可能导致瞬间损坏，甚至造成潜在损坏，甚至更严重的损坏，也称为“行走的伤者”。之所以隐含这个术语，是因为 ESD 损坏的组件在发生灾难性故障之前可能会持续正常运行数小时、数天甚至数月。

以下是一些内部瞬变的示例：

· 电弧

电线不良

断路器、连接器和开关中的触点损坏

接地不良

绝缘和绕组有缺陷的电机

· 电感负载切换

电机

变压器

继电器线圈

电磁线圈

3、不同类型的瞬态电压二极管

这里有 3 种 TVS 二极管，它们具有多种形式和特定的应用；

单向TVS二极管

这些单向 TVS 二极管可防止单向瞬变，最适合直流电路。

双向 TVS 二极管

双向 TVS 二极管可保护两侧。它们是交流应用或无法估计瞬态极性的应用的理想选择。

阵列 TVS 二极管

此类二极管由单个器件中的多个 TVS 二极管组成。阵列 TVS 二极管适用于同时保护多条线路。

4、瞬态电压抑制器的主要应用

以下是 TVS 二极管的主要应用，用于防止电子电路因瞬态电压浪涌而造成损失。

·工业规模：保护控制和自动化应用中的传感器、控制器和通信接口。

·个人电子设备：保护智能手机、电视和电脑中的 USB 接口、HDMI 端口和其他易损组件。

·汽车用途：防止因负载突降、电感开关和交流发电机故障引起的瞬变。

·电信： TVS 可防止网络设备中雷击引起的尖峰和电源交叉状态。

5、抑制瞬变的装置

有多种设备可帮助抑制电压瞬变。其中之一就是瞬变电压抑制器。本文介绍了一些知名且高效的 TVS 设备；

a. 瞬态电压抑制二极管

瞬态电压抑制二极管是最流行且使用最广泛的设备，用于瞬间钳位瞬态电压以保护电路，防止其造成潜在损坏。

虽然其他二极管也用于瞬态安全，但它们具有电压调节和整流作用，因此效率不如瞬态电压抑制二极管。

瞬态电压抑制二极管的用途

TVS 二极管最适合于保持中等频率的应用和低能耗系统和电路中的钳位/转移。

优点

· 交通便利

· 单向或双向

· 作用迅速

· 校准低夹持电压

· 操作简单

· 短路故障

缺点

· 低能耗控制

· 比其他二极管贵

· 高电容限制频率

b.齐纳二极管

齐纳二极管专门用于减轻击穿电压，即所谓的“齐纳电压”。这些二极管建立受控击穿，使电流将齐纳二极管上的电压保持在齐纳击穿电压附近。这一特性使齐纳二极管有助于产生参考电压。

齐纳二极管还用于保护电路免受 ESD 事件等灾难性故障的影响。

齐纳二极管的用途

· 这些二极管用于低能耗电路中的钳位和分流

· 齐纳二极管对于高速数据线非常有效

· 适用于高频电路

优点

· 便于使用

· 双向

· 标准评级

· 便宜的

· 交通便利

· 作用迅速

· 校准夹持电压

缺点

· 齐纳二极管仅限于低能耗处理

c. 旁路电容

部署旁路电容器是为了避免电压瞬变。

这些二极管也被称为“去耦电容器”。

这种电容器通常由两到三个组成，它们之间的数量级相差一到两个数量级。它们也设置在每个电源和模拟组件上，以确保电源保持稳定、安全和安静。

旁路电容的用途

· 旁路电容器用于解耦数字逻辑电源轨

· 这些是 RC 缓冲器

· 用于低功耗应用

优点

· 使用简单

· 更便宜

· 作用迅速

· 方便获取

缺点

· 显示不均匀抑制

· 可能需要多个：每个消费设备需要一个或两个

d.金属氧化物压敏电阻（MOV）

金属氧化物压敏电阻是易受电压影响的可变电阻器和双向半导体电压瞬变抑制二极管。器件导通时的电压由其电极引线之间的晶粒数量决定。在制造过程中，这些值可能会有所不同，以产生任何所需的电压击穿阈值。

金属氧化物压敏电阻的用途

· MOV 可用于交流或直流应用。

· 这些二极管用于所有电流和电压水平的极低频至平均频率电路中的钳位/转移。

优点

· 便于使用

· 作用迅速

· 更便宜

· 方便获取

· 校准低钳位电压

· 双向

· 短路故障

· 标准评级

缺点

· 其中等至高电容限制了高频结果。

· 它只能缓解少量的功率，因此不适合需要一致功率耗散的应用。

e.多晶硅保险丝

多晶硅保险丝也称为polySwitch，是一种正温度系数 (PTC) 电阻器，设计用于形成导电聚合物混合物。

在正常工作条件（例如平均温度）下，PolySwitch 内的导电元件会形成低电阻链，从而允许电流轻松流动。当通过这些链提供的电流增加到一定程度，即温度超过某个重要阈值时，导电聚合物的晶体结构会立即转变为不规则的拉伸状态。因此，PolySwitch 的电阻会增加，从而导致电流瞬间下降。

一旦触发，该电阻将保持跳闸状态，直到错误消除并且电阻的温度恢复到安全水平。

多晶硅保险丝的用途

· 多晶硅保险丝为电机、电池组、电动机和电源提供过流保护。

· 该保险丝无需更换；它被称为自复位保险丝。这些保险丝在需要时会使用多晶硅保险丝电阻器。

优点

· 自复位用途

· 价格低廉

· 便于使用

缺点

· 重置需要冷却时间。

f.雪崩二极管

雪崩二极管与齐纳二极管类似，其结构可在最佳反向偏置电压下击穿并传导高电流 ma。此操作称为雪崩效应。

这些二极管的最高击穿电压范围有限；与齐纳二极管类似，它们的击穿电压可达 4000 V 以上。

这些二极管采用反向偏置配置。例如，阴极集成到更正的电压。因此，在正常状态下，二极管对电路的影响最小，但当其端子之间的电压超过某个阈值时，它们就会开始导通。

雪崩二极管的用途

· 采用雪崩二极管来保护电路免受高压瞬变的影响。

优点

· 雪崩二极管具有其能够控制的最大瞬变尺寸。

· 这些专门用于钳位电压击穿。

· 雪崩击穿事件没有损坏，想象二极管没有过热。

缺点

· 雪崩二极管的一个众所周知的缺点是产生射频噪声。

6、选择瞬态电压抑制二极管前要考虑的因素

在这里，回顾一下选择合适的 TVS 二极管之前的多种因素；

箝位电压：TVS 在瞬态事件期间能够控制的最高电压水平应小于安全元件的最高最大电压阈值。

工作电压：选取工作电压略高于电路平均工作电压的TVS。

封装配置和尺寸：根据电路空间障碍和布局，选择合适的配置（单向或双向）和封装尺寸。

峰值脉冲功率：应根据所需瞬态能量来选择 TVS 能够承受的最高瞬态功率。

简而言之，瞬态电压抑制器在电子设计中至关重要，可以保护敏感元件免受电压浪涌的影响。了解各种类型的 TVS 二极管、抑制瞬态的设备及其用途有助于您为您的应用选择合适的设备，从而确保电子设备的可靠性和耐用性。随着技术的不断进步，TVS 的重要性只会不断提高，这凸显了工程师需要随时了解 TVS 技术的创新。