第三讲：TVS二极管的典型应用及实例分析
中心议题：
- TVS应用的三大特点及注意事项
- TVS的典型应用电路介绍
- TVS在热插拔电路中的应用实例
- TVS在汽车电源线保护中的应用
- TVS应用效能最佳化措施
相关性阅读：
【Class1】常用过压、过流、过温保护器件之选型技巧
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80015099
【Class2】保险丝的应用方案及常见问题解答
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80015226
瞬态电压抑制器（TVS）具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、家用电器、仪器仪表等各个领域。本文将结合TVS应用的特点及使用注意事项，介绍TVS的几种典型应用电路，并通过TVS在热插拔电路保护和汽车电源线保护中应用的实例，来详细探讨如何正确应用TVS和使TVS的应用效能最佳。
在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TNS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。
1 TVS应用的三大特点
1）将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。
2）静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导至损坏。利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰（Crosstalk）。
3）将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
2 TVS管在使用中应注意的事项
对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值)，而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。
对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
3 TVS的典型应用电路
3.1 TVS在交流电路中的应用
图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。
图1 双向TVS在交流电路中的应用电路
3.2 用TVS保护直流稳压电源
图2是一个直流稳压电源，在其稳压输出端加上TVS，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。
图2 TVS保护直流稳压电源
3.3 用TVS保护晶体管电路
各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，特别是晶体管集电极有感性(线圈、变压器、电动机)负载时，通常会产生高压反电势，因而可能使晶体管损坏。在实际应用中，建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例。
图3 TVS保护晶体管电路
3.4 用TVS保护集成运放
集成运放对外界电应力非常敏感。因此，在使用运放的过程中，如果因操作失误或采取了不正常的工作条件，往往会出现过大的电压或电流，特别是浪涌和静电脉冲，从而很容易使运放受损或失效。图4所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。
图4 TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路
推荐阅读：TVS的典型应用电路
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006676?page=2
4 TVS的应用实例
4.1 TVS用于热插拔电路保护
在热插拔应用中，TVS主要用作需要被中断的差模电流的接地分流路径。热插拔系统常被用在分布式电源系统中提供可靠的系统保护和电气管理，典型服务器系统的线卡接口和热插拔电路原理图如图5所示。
图5 典型服务器系统的线卡接口和热插拔电路原理图
从本质上讲，当检测到故障和电流中断期间的电流转换率可能达到100A/μs或以上时，图5中的通路MOSFET Q1将迅速被热插拔控制器关闭。不过，输入功率路径的电源轨总线结构难免出现寄生电感（与电源母线的长度和固有环路面积有关）。储存在该电感的能量将转移到电路中的其他元件，以致产生过压动态行为。为了防止下游元件被损坏，在分流保护配置中从VIN至GND处连接了响应速度快的单向TVS（瞬态电压抑制）硅二极管，如图5所示。
应用于热插拔电路中的TVS选择可按照以下步骤进行：
1）用切断电压VR选择单向TVS，该电压等于或大于直流或连续峰值工作母线电压水平。14V或15V TVS适合低阻抗12VDC±10％的服务器系统输入总线。
2）根据热插拔控制器断路器阈值电压、响应时间和所选分流电阻器来确定峰值脉冲电流水平IP。
3）利用公式
（式中，VC：钳位电压；IP：峰值脉冲电流；VC(max)：最大钳位电压；VBR：击穿电压；IPP：采用10/1000 ms波形的VC(max)条件下的最大峰值脉冲电流。）由第2步和相关数据表参数给定的IP水平来计算电路钳位电压VC。VC是否足够低？如果不是，另一种方法是使用一个较大的TVS，以获得较陡峭的下降。请注意，VC的电压温度系数与VBR类似（例如在75℃的工作环境条件下，0.1%/℃意味着该系数增加了5％）。
4）计算出VC和IP的乘积，以获得由TVS维持的实际峰值功率水平。
5）利用公式
（式中，L为电路中的寄生电感）和已知的输入寄生电感来确定三角脉冲波形的脉冲持续时间td（即衰减到零的时间）。
6）使用类似图6（a）曲线的第5步脉冲持续时间降额PPP。如前所述，三角脉冲电流波形可以实现比双指数参考波形曲线高33％的脉冲功率。
7）使用类似图6（b）曲线的环境温度降额PPP。同时应该考虑相邻元件的相互热效应。
8）第7步的净降额PPP是否实现了由第4步计算的实际TVS峰值功率的足够设计余量（至少50％）？如果没有，选择一个较大的TVS并重复1-8步骤。
图6 （a）峰值脉冲功率与脉冲持续时间，(b)热降额特性
推荐阅读：热插拔电路的TVS钳位
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80013402
4.2 TVS用于汽车电源线的初级保护和次级保护
电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等汽车电子设备连接在一根电源线上，如图7所示。这些电子产品的电源是电池和交流发电机，这两种电源的输出电压都不稳定，容易受温度、工作状态和其他条件影响。此外，使用燃油喷射系统、阀、电机、电气和水解控制器等电磁线圈负载的汽车系统，会把ESD、尖峰噪声和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上。因此，汽车设计中必须保护电子设备(例如控制单元、传感器和信息娱乐系统)免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器(TVS)是汽车电子保护的理想方案，下面主要介绍TVS在汽车电源线中的初级保护和次级保护应用。
图7 典型的汽车电源线
4.2.1 汽车电源线初级保护(甩负荷)
用于汽车电子初级保护的甩负荷TVS有两类：外延型和非外延型。在反偏模式下，这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于，外延型TVS在正向模式下具有低正向压降(VF)特性，非外延型TVS在相同条件下VF相对较高。
在反向电源输入模式中，电源线电压与TVS VF的电压相同，这种反偏模式会引起电子线路故障，外延型TVS的低正向压降能够很好地解决这个问题，如图8所示。
图8 TVS用于汽车电源线初级保护
4.2.2 汽车电源线的次级保护
汽车系统中保护电路的初级对象是高浪涌电压，但是被钳位的电压仍然很高。因此，在24V动力总成中的次级保护特别重要，比如卡车和货车中的动力总成。其主要原因是因为大多数稳压器和DC-DC转换器IC的最大输入电压是45V~60V。对于此类应用，建议使用图9中的次级保护。在电源线上增加电阻R可以减小瞬态电流，这样就可以使用更小额定功率的TVS作为次级保护。
图9 次级保护
推荐阅读：TVS用于汽车电源线的初级保护和次级保护
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80015045
5 TVS二极管效能最佳化
如何使TVS在电路中应用的效能最佳？印制电路板的布线及电路元件的选择很重要，通过合理放置TVS的位置、接地选择、寄生电感和回路区的处理，以及突崩式TVS与二极管阵列、单向与双向突崩式TVS二极管、外部与内部晶片保护电路的比较，科学合理地进行PCB的布线和TVS元件的选择，使TVS的效能最佳化。
详细阅读：TVS二极管效能最佳化
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80004872
6 结语
本文详细介绍了TVS的应用特点、典型应用及应用实例，并从印制电路板的布线和TVS元件的选择两个方面探讨了如何使TVS的效能最佳化的措施，对电路保护设计工程师合理高效应用TVS进行电路保护设计非常有参考价值。
