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浪涌電壓抑制器的設(shè)計(jì)分析

發(fā)布時間:2012-11-08 責(zé)任編輯:rexliu

【導(dǎo)讀】浪涌電壓抑制器是電路過壓保護(hù)的一種重要設(shè)計(jì),本文將對浪涌電壓抑制器的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用進(jìn)行分析介紹。
 
1 設(shè)計(jì)原則
    對于家居信息系統(tǒng)的保護(hù)除了做好常規(guī)的防雷設(shè)施和處理好接地問題外,還應(yīng)在信息家電的電源端加裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置,以消除電網(wǎng)浪涌、雷電感應(yīng)電壓、設(shè)備切換等意外事件對信息家電設(shè)備的沖擊和毀壞。要求進(jìn)入信息家電內(nèi)的電源線、信號線應(yīng)通過防雷、防過壓處理,并將設(shè)備外殼、室內(nèi)的金屬門、窗、管道等進(jìn)行等電位處理。
       信息家電設(shè)備雷電過電壓及電磁干擾防護(hù)是保護(hù)通信線路、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段和確保通信線路、設(shè)備運(yùn)行不受干擾必不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。信息網(wǎng)絡(luò)過電壓保護(hù)必須運(yùn)用電磁兼容原理將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)局部的防護(hù)歸結(jié)到整體的雷電過電壓保護(hù)。
       網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處的建筑物作為一個欲保護(hù)的空間區(qū)域,從電磁兼容的角度出發(fā),可由外到內(nèi)分為幾個雷電保護(hù)區(qū),現(xiàn)已規(guī)定出各部分空間不同的雷電磁脈沖(LEMP)的嚴(yán)重程度。
       根據(jù)雷電保護(hù)區(qū)的劃分要求,建筑物外部是直擊雷區(qū)域,在這個區(qū)域內(nèi)的設(shè)備最容易遭受損害,危險性最高,是暴露區(qū),為0區(qū);建筑物內(nèi)部所處的位置為非暴露區(qū)可將其分為1區(qū)、2區(qū),越往內(nèi)部,危險程度越低,雷電過電壓對內(nèi)部電子設(shè)備的損害主要是沿線路引入。保護(hù)區(qū)的界面通過外部的防雷系統(tǒng)、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構(gòu)成屏蔽層。電氣通道以及金屬管則必須通過這些界面,穿過各級雷電保護(hù)區(qū)的金屬構(gòu)件在每一穿過點(diǎn)做等電位聯(lián)結(jié)。

    2 浪涌電壓抑制器件

       浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類。第一種類為橇棒(Crow Bar)器件,其主要特點(diǎn)是器件擊穿后的殘壓很低,因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放,而且使功耗大大降低。另外,該類型器件的漏電流小,器件極間電容量小,所以對線路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護(hù)器、硅雙向?qū)ΨQ開關(guān)(CSSPD)等。
       另一類為箝位保護(hù)器,即保護(hù)器件在擊穿后,其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升,以箝位的方式起到保護(hù)作用。常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻MOV ,瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)等。
       保護(hù)器分過電壓保護(hù)元件和過電流保護(hù)元件。我們通常所稱的“避雷器”和隨著國外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“過電壓限制器”、放電管、齊納二極管等都屬于電壓限制元件。它們的工作原理差不多,但它們之間的通流容量、動作速度、殘壓等有很大差別。而正溫度系數(shù)PTC、電感、電阻、保險絲則屬于過電流保護(hù)元件。
       二極管型防護(hù)器件包括開關(guān)二極管、齊納二極管、瞬態(tài)二極管等。它們的保護(hù)性能大致相同,在承受沖擊能力和限制電壓等級方面稍有不同。正常情況下,管子呈高阻,當(dāng)外加電壓達(dá)到其門限值時,電流迅速增加。它是響應(yīng)速度非常快的保護(hù)元件,限幅電壓低,管子兩端壓降基本不受沖擊電壓和沖擊電流的影響,保護(hù)精密設(shè)備中半導(dǎo)體電路非它莫屬。近年來正在發(fā)展的瞬態(tài)二極管,在通流能力方面有了較大的突破,可用在第二級甚至第一級保護(hù)。
       二極管型防護(hù)器件是利用硅PN結(jié)正向壓降(VF)和反向雪崩擊穿電壓(VZ)的特性制成的,如瞬變電壓抑制二極管(TVS)。二極管型防護(hù)器件有兩種形式:一是齊納型單向雪崩擊穿,二是雙向的硅壓敏電阻。TVS器件在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,承受到高能量的瞬時過壓脈沖時,其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過,并將電壓箝制在預(yù)定水平,從而有效地保護(hù)電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率,并把電壓箝制在預(yù)定水平,雙向TVS適用于交流電路。TVS的最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小,所謂箝位系數(shù)就是指TVS上流過的電流在最大時的端電壓與流過的電流為最小時的端電壓的比值,箝位系數(shù)越小,抑制瞬變電壓的效果越好。TVS器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快(小于1ns)、可靠性高、每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會下降等。缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小?,F(xiàn)在,國外TVS器件已經(jīng)采用氣密性附殼封裝,外形為DO-41,而一般的民用器件則采用有引線或無引線的塑封形式,典型的有美國GeneralInstrument公司生產(chǎn)400W、600W、1500W無引線扁平塑封,其400W的工作電壓為5.5~162V,型號為TSMA6.8~TSMA200,外形為SMA/D0214AC;600W的工作電壓為5.5~162V,型號為TSMB6.8~TSMB200,外形為SMB/D0214AA;1500W工作電壓5.5~162V,型號為TSMC6.8~TSMC200,外形為SMC/D0214AB。該公司也生產(chǎn)無引線圓柱形產(chǎn)品,型號為TGL41-6.8~TGL41-200,外形為MELFGL41。該公司還生產(chǎn)5000W的TVS,其工作電壓為5.0~110V,型號為5KP5.0~5KP110,外形為P600。TVS的另一發(fā)展方向是開發(fā)低電壓產(chǎn)品,目前正在開發(fā)的產(chǎn)品電壓范圍為2.8~3.8V,以滿足低壓微處理器和IC的需要。

3 硅瞬變吸收二極管  
                  
       硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管,是箝位型的干擾吸收器件,其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)速度(亞納秒級)、相當(dāng)高的浪涌吸收能力和極多的電壓檔次。能保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓,以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。
       TVS管有單方向(單個二極管)和雙方向(兩個背對背連接的二極管)兩種,它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中,TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10%左右,以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓,使TVS漏電流影響電路正常工作;也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。TVS管有多種封裝形式,如,軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上,雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。

    3.1 TVS的特性                  
      TVS的電路符號和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓-電流特性曲線如圖1所示。其正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR,而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn),流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP,同時在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流按指數(shù)衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復(fù)到初態(tài),這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率,保護(hù)電子元器件的過程。當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時,它能以10~12S級的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電位箝位于預(yù)定值,有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。
 
   3.2 TVS的主要參數(shù)
    (1)最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓,當(dāng)這個反向電壓加于TVS的兩極間時它處于反向關(guān)斷狀態(tài),流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID;
    (2)最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時,低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時,加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說,VWM=0.85VBR;對于10%的VBR來說,VWM=0.81VBR;
    (3)最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時,在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子,一般在1.2~1.4之間;
    (4)電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使信號衰減。因此,C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù);
    (5)最大峰值脈沖功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下,功耗PM越大,其浪涌電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下,箝位電壓VC越低,其浪涌電流的承受能力越大。另外,峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的,器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖,應(yīng)考慮脈沖功率的累積,有可能損壞TVS;
(6)箝位時間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時間。對單極性TVS小于1×10-12S;對雙極性TVS小于10×10-12S。

     3.3 TVS的分類                    
      TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種;按用途可分為通用型和專用型;按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為:軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上,低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。

    3.4 TVS的選用
    (1)確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓,電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓;
    (2)TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低,器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作;
    (3)TVS的最大反向箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓
    (4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi),TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后,其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。一般,TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000mS的非重復(fù)脈沖給出的,而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的,當(dāng)脈沖寬度不同時,其峰值功率也不同。如某600WTVS,對1000mS脈寬最大吸收功率為600W,但是對50mS脈寬吸收功率就可達(dá)到2100W,而對10mS的脈寬最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān),如果是半個正弦波形式的脈沖,吸收功率就要減到75%;若是方波形式的脈沖,吸收功率就要減到66%;
    (5)平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS,如應(yīng)用在繼電器、功率開關(guān)或電機(jī)控制等場合,有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。例如,在一功率開關(guān)電路中會產(chǎn)生120Hz,寬度為4mS,峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個脈沖的電壓箝位到11.2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為:脈沖時間間隔等于頻率的倒數(shù)1/120=0.0083S,峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W,平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對脈沖間隔比值的乘積,即280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是說,選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W;
    (6)對于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù),還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件;
    (7)根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理,多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利;
    (8)根據(jù)溫度考慮,瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃~+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度下工作,由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降,從+25~+175℃,大約線性下降50%;擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此,必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料,考慮溫度變化對其特性的影響。

    3.5 TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)
       對于瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系,手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值),而實(shí)際線路中的脈沖寬度則是變化莫測的,技術(shù)人員事前要有估計(jì),對寬脈沖應(yīng)降額使用。
       對于小電流負(fù)載的保護(hù)方面,可有意識地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當(dāng),就不會影響線路的正常工作,但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。
       對重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制,尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

    3.6 降額使用
       作為半導(dǎo)體器件的TVS管,要注意環(huán)境溫度升高時的降額使用問題。特別要注意TVS管的引線長短以及它與被保護(hù)線路的相對距離。當(dāng)沒有合適電壓的TVS管供采用時,允許用多個TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個。而峰值吸收功率等于這個電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積. 
 
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