瞬變干擾吸收器件講解（三）——TVS管與TSS管

2017-05-18 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、關(guān)于瞬變干擾的比較

通常所說的瞬變干擾,包括靜電放電、電快速瞬變脈沖群、跟雷擊浪涌?！办o電放電”模擬的是自然界中物體相互摩擦?xí)r累積電荷的瞬間放電,特別是人體產(chǎn)生的靜電放電;“電快速瞬變脈沖群”模擬的是電路中機械開關(guān)對感性負載切換時產(chǎn)生的一系列脈沖干擾;“雷擊浪涌”模擬的是雷擊在電源線或者通信線上感應(yīng)產(chǎn)生的波形。由于應(yīng)用場景不一樣,模擬的波形也就不一樣,雷擊浪涌的能量最大,另外兩種的能量都很小,但是無論哪種電瞬變都容易使得半導(dǎo)體器件產(chǎn)生擊穿,并危害其他電路的正常工作。

《GB/T 17626.5 浪涌(沖擊)抗擾度試驗》、《GB/T 17626.2 靜電放電抗擾度試驗》、《GB/T 17626.4 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》三個規(guī)范分別對三種瞬變干擾的波形進行了清晰的定義。三者測試的電壓等級是類似的,但是電壓波對應(yīng)的脈沖寬度有較大差異,脈沖寬度可以近似地判斷出對應(yīng)波形的能量。

例如靜電放電試驗中定義的靜電放電波形。GB/T 17626.2中規(guī)定了靜電放電對應(yīng)的輸出電流波形,同時標定了不同接觸放電電壓等級下的電流大小。圖中可以看到,其波形脈寬在60ns的時候已經(jīng)下降到峰值的30%不到了。

GB/T 17626.4電快速瞬變脈沖群試驗中定義了脈沖群的周期跟單個脈沖的波形。脈沖群重復(fù)周期不變?yōu)?/span>300ms,每個脈沖群有75個脈沖。單個脈沖的電壓波形,脈寬也是ns級別,半波時間約為50ns。

前面兩篇一直有介紹浪涌的波形。相信大家對浪涌的電壓波形也不陌生了,在這里再溫故一下。GB/T 17626.4浪涌(沖擊)抗擾度試驗中定義了浪涌單個脈沖的波形。三種瞬變干擾中,也就只有浪涌的電壓波形可以去到μs級別,直接甩開前面二位幾個數(shù)量級。浪涌帶來的破壞性能量也是不容小覷的。

不管怎么說,這三種干擾都是瞬變干擾,浪涌持續(xù)時間再怎么長,其對電路造成的破壞也是一瞬間的事情。對比三者的電壓波形,主要是方便對瞬變干擾的保護器件進行選型。想要對瞬變干擾進行抑制,保護器件的動作時間就必須超過瞬變干擾的速度。浪涌的影響時間是μs級別,靜電放電跟電快速脈沖群的影響時間是ns級別——這是干擾防護選型的重點。

二、關(guān)于TVS管&TSS管

TVS管跟TSS管二者的封裝類型是類似的。但是二者的吸收效果卻有一定的差異。TVS管,全稱硅瞬變電壓吸收二極管;TSS是電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管,或者叫做導(dǎo)體放電管,固體放電管。從名稱上可以直觀地看出二者的抗干擾能力區(qū)別,同樣,可以簡單地將吸收效果理解為下圖。

相比壓敏電阻跟氣體放電管,硅瞬變電壓吸收二極管對浪涌電壓的箝位效果更好,其相應(yīng)速度是最快的,可以達到ps級別,TVS管用于保護電路,可以使得集成電路、MOS管、混合電路等其他半導(dǎo)體器件組成的電路免受靜電、電感性負載切換、雷擊感應(yīng)電壓等瞬變干擾的影響危害。其非線性特性比壓敏電阻好,對于流過電流增大而上升的電壓更慢;但是其通流量小。

固體放電管工作原理與氣體放電管類似,而與箝位型吸收器件不同。當(dāng)TSS管兩端的過電壓超過TSS管的擊穿電壓時,TSS管導(dǎo)通相當(dāng)于短路狀態(tài),此時TSS管兩端電壓接近0V,直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后,TSS恢復(fù)開路狀態(tài)。TSS管的響應(yīng)速度比TVS管略低,但也能達到ns級別。

1、TVS管與TSS管的工作原理

1.1、TVS管

TVS管的工作方式與壓敏電阻類似,一般反向接入電路中做保護作用。當(dāng)電壓當(dāng)瞬變干擾超過一定電壓值時,發(fā)生雪崩擊穿,導(dǎo)通阻抗瞬間下降,導(dǎo)通電流增大,以熱能的形式消耗,從而吸收暫態(tài)脈沖。硅瞬變二極管有以下特點:

A 有較大截面積,通流能力較強。

B 管內(nèi)有含鉬或鎢的特殊材料制成的散熱片,可以更好地散熱。

C 由于截面積大,有較大的結(jié)電容(幾百甚至幾千pF),限制了高頻下的使用。

單向管伏安特性曲線如下圖所示:

雙向管伏安特性曲線如下圖所示:

1.2、TSS管

TSS管的工作方式則與氣體放電管類似,屬于能量轉(zhuǎn)移型(開關(guān)型)保護器件,擊穿電壓從幾十到幾百伏不等,導(dǎo)通壓降只有幾伏特;浪涌吸收能力能達到幾百安培或更大。

工作過程可解釋為:

A、固體放電管是一種半導(dǎo)體四層二極管,在擊穿之前,幾乎不導(dǎo)電(漏電流通常規(guī)定≤5μA)。

B、當(dāng)電壓達到Vs(轉(zhuǎn)折電壓)后,電壓超過維持電流IH,管子負阻特性使得電流急劇增大,兩端壓降降為Vt(導(dǎo)通壓降);管內(nèi)電流增加,壓降幾乎不變(此時需要注意,當(dāng)外部電壓高于固體放電管箝位電壓,放電管將保持持續(xù)性導(dǎo)通,這點跟氣體放電管類似)。

C、當(dāng)電流中斷或者將至IH以下,TSS管重新恢復(fù)高阻關(guān)斷狀態(tài)。

TSS管有雙極性保護功能,其伏安特性曲線如下:

2、特征參數(shù)

2.1、TVS管

類似于壓敏電阻,硅瞬變電壓吸收二極管的主要參數(shù)是擊穿電壓、最大箝位電壓、峰值脈沖吸收功率、結(jié)電容等。實際上壓敏電阻本省可以看成無數(shù)個微型的TVS管串并聯(lián)而成,區(qū)別是TVS管的箝位特性更出彩。主要參數(shù)如下:

1)額定直流持續(xù)工作電壓Uwm:保持TVS管不進入導(dǎo)通狀態(tài)兩端可加的最大電壓。

2)最小擊穿電壓UBR(min):規(guī)定的恒流測試電流It下,所測得管子兩端的最小電壓。

3)最大箝位電壓Uc:管子通過額定峰值10/1000μs電流波時,兩端峰值電壓最大值。

4)峰值脈沖電流Ipp:測試管子特性使用的10/1000μs峰值電流波大小。

5)峰值脈沖功率Pp:額定的10/1000μs峰值電流波下,管子兩端的最大箝位電壓與管子通過電流峰值的乘積。

6)漏電流Id:管子兩端施加逆向電壓Uwm時,測得管子通過的電流。

7)測試電流It:用來測試反向擊穿電壓的直流恒流電流,一般為1mA。

8)順向壓降Up:單極性器件以額定的正弦波電流(Uf<3.5V)通過半個周期波時的壓降。

9)結(jié)電容Co:通常在1MHz的特定偏置電壓下測得的管子的電容值,由截面積決定。

舉例君耀電子(Brightking)TVS管1.5KE規(guī)格書中有如下標識:

注:

①25℃時峰值功率1.5kW;

②25℃穩(wěn)態(tài)功率6.5W(引線長度9.5mm);

③25℃順向浪涌電流額定值為200A(60Hz交流電半周波);

④工作與儲存溫度為-55℃~+175℃;

脈沖寬度與吸收功率的關(guān)系,以及溫度與降額的關(guān)系:

2.2、TSS管

TSS管的工作過程是:當(dāng)電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時,固體放電管放電,并將脈沖能量直接泄放到地,等管子電流低于維持電流時,結(jié)束放電。常作為選型考慮的有下面一些參數(shù):

1)漏電流Idrm:固體放電管在關(guān)斷狀態(tài)最大可施加電壓Vdrm下測得的最大峰值關(guān)態(tài)電流。

2)轉(zhuǎn)換電流Is:進入導(dǎo)通狀態(tài)所需的最大電流。

3)維持電流IH:保持導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小電流。

4)峰值電流Ipp:保證管子不損壞的最大峰值電流。

5)通態(tài)電流It:額定最大持續(xù)導(dǎo)通電流。

6)一周波內(nèi)的峰值浪涌電流Itsm:一個周波內(nèi),放電管可以通過的額定最大交流電流。

7)轉(zhuǎn)換電壓Vs:進入導(dǎo)通狀態(tài)兩端可施加的最大電壓。

8)通態(tài)電壓Vt:額定通態(tài)電流下,測到的放電管最大壓降。

9)峰值關(guān)態(tài)電壓Vdrm:維持放電管關(guān)斷狀態(tài)的最大電壓。

10)關(guān)態(tài)電容Co:放電管關(guān)斷狀態(tài)下測得的典型電容值。

11)電流上升率di/dt?？墒┘拥碾娏髯畲笊仙省?/span>

12)電壓上升率dv/dt?？墒┘拥碾妷鹤畲笊仙?。

舉例碩凱SOCAY半導(dǎo)體放電管-固體放電管P4200SC,其產(chǎn)品規(guī)格書中有如下標識:

需要注意的是,不同溫度下,轉(zhuǎn)換電壓也有區(qū)別:

3、使用注意事項

3.1、TVS管

1)按測試規(guī)格極性及工作電路極性去選用單向管或者雙向管。一般情況下交流電路中選擇雙向管;在單極性的信號電路和直流電源電路中,選用單向TVS管。

2)由于TVS管一般做精密箝位用,管子最大箝位電壓應(yīng)低于被保護電路可承受電壓,同時大于電路正常工作的最大輸入電壓,保證箝位過程中電路正常工作。

3)通過脈沖寬度、測試電壓等級等來估計管子在所處測試條件下應(yīng)該吸收的功率,并選擇在抑制暫態(tài)過壓時可吸收功率適當(dāng)?shù)?/span>TVS管。

4)確定工作電路的工作溫度環(huán)境,選擇該環(huán)境下降額曲線適用的TVS管。

5)類比于壓敏電阻,TVS管在工作過程其殘壓與額定箝位電壓也有一定的殘壓比,大概在1.3~1.6,并隨吸收電壓的增大而增大。

6)由于TVS管吸收功率有限,一般做精密箝位用,在吸收浪涌干擾時,因盡量靠近被保護電路,并與壓敏電阻跟氣體放電管等可通過大功率的抑制器件配合使用。并且由于其本身相應(yīng)速度很快,應(yīng)該在TVS管與大功率抑制器件之間增加大感值扼流圈。

7)一般分立式TVS的結(jié)電容都較高,表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中,應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。

8)對于同一電路中重復(fù)出現(xiàn)的功率開關(guān)控制感性負載切換的電路,需要引入平均功率的概念,即評估周期脈沖的平均功率Pavg,此功率應(yīng)小于TVS管的額定穩(wěn)態(tài)功率。

9)由于TVS管制作工藝的問題,管子特性不完全等同,不能并聯(lián)使用。

10)引線端而寬;安裝在瞬變干擾發(fā)生處或者急需保護的電路位置;布線與信號線、電源線隔開,避免耦合電壓。

11)失效形式是短路。

其他使用注意事項可參考百度文庫文檔:

https://wenku.baidu.com/view/1311e229915f804d2b16c1d0.html?re=view

3.2、TSS管

作為瞬變干擾抑制保護器件,固體放電管選型同樣要保證接入電路可以對瞬變干擾進行抑制,又要保證不能影響電路正常工作過程。綜合來講有幾個點:

1)受保護電子設(shè)備(電路)的正常工作電壓最大值要保證低于固體放電管的直流擊穿電壓最小值,且有一定余量;同時TSS管轉(zhuǎn)換電壓必須小于受保護電子設(shè)備(電路)能承受的瞬間電壓尖峰。

2)Ipp應(yīng)該大于瞬變干擾可能出現(xiàn)的最大浪涌電流峰值。

3)保護直流設(shè)備時,要使得流過TSS管的電流小于維持電流,保證設(shè)備正常工作時TSS管關(guān)斷。即設(shè)備輸入端短路時TSS管電流應(yīng)小于維持電流。

4)TSS管多用于信號線防雷保護。

5)半導(dǎo)體放電管處于導(dǎo)通狀態(tài)(導(dǎo)通)時,所損耗的功率P應(yīng)小于其額定功率Pcm,Pcm=K*Ipp,其中K由短路電流的波形決定。對于指數(shù)波,方波,正弦波,三角波K值分別為1.00,1.4,2.2,2.8。

6)在電源輸入的防雷中, 模擬雷擊波會在共模電感上感應(yīng)出很高的電壓,與本身的電壓結(jié)合后會對后級元件進行破壞,(其實雷擊時,共模電感兩端的電壓是很高的)因此并聯(lián)半導(dǎo)體放電管TSS(BS2300K),可以消耗一部分雷擊的能量,避免其流到電源后方,破壞功率器件(摘自“21世紀電源論壇”)。