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介绍TVS各种保护电路,及在抑制电磁干扰,防雷电方面的作用
 

TVS(瞬变电压抑制二极管)在美国应用十分广泛,特别是在军事电子装备中非常重视,美国军标不但出牌了不少TVS器件的标准,同时在线路应用方面也有军标。

TVS在国内正处于推广应用阶段,为了加深电路设计人员对TVS的认识,提高国产整机的可靠性,现将美国军标中部分资料整理成文,推荐给广大电路设计人员参考使用。

一、TVS在微机中的应用实例

一个典型的微机系统,通过电源线、输入线、输出线进入的各种干扰或瞬变电压,可能使微机误动作出故障,特别是来自开关电源,微机近旁的电动机的开与关、交流电源电压的浪涌和瞬变、静电放电等场合都可能使系统产生误动作,严重时还可能损坏器件。将瞬变电压抑制二极管接到微机的电源线输入和输出线上,可防止瞬变电压进入“微机”总线,加强微机对外界干扰的抵抗能力,保证微机正常工作,提高其应用可靠性。使用TVS管的量是很多的。

图给出了一个微机电源采用TVS作线路保护的原理图,由图可见:

1、在进线的220V~处加TVS管抑制220V~交流电网中尖峰干扰。

2、在变压器进线加上干扰滤波器,滤除小尖峰干扰。

3、在变压输出端V~=20V处又加上TVS管,再一次抑制干扰。

4、到了直流10V输出时还加上TVS管抑制干扰。

其中:

双向TVS管D1的VRWM=220V~×1.4=308V左右

双向TVS管D2的VRWM=20V~×1.4=28V左右

单向TVS管D3的VRWM=10V~×1.2=12V左右

经过如上四次抑制,变成所谓的“净化电源”,还可以加上其它措施,更有效地抑制干扰,防止干扰进入计算机的CPU及存贮器中,从而提高微机系统的应用可靠性。

从失效统计概率可知:微机系统产生100次故障,其中90次来自电源,10次是微机本身,可见电源的可靠性最重要,要提高整机可靠性,首先应提高电源的可靠性。

交流电路应用:

流线路采用单向瞬变电压抑制二极管,交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。交流是电网电压,这里产生的瞬变电压是随机的,有时还遇到雷击(雷电感应产生的瞬变电压)所以很难定量估算出瞬时脉冲功率PPR。但是对最大反向工作电压必须有正确的选取。一般原则是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1-1.2倍来选取TVS管的最在反向工作电压VRWM。

二、TVS管保护开关电源实例

对开关电源设计师来讲,必须对影响开头电源的三种瞬变类型进行保护:

1、由负载变化引起的瞬变电压(电感负载);

2、由电源线引入的瞬变电压;

3、由开关电源内部发生的瞬变电压。

电源中需要保护的典型元器件有:

1、高反压开关晶体管(VMOS管)

2、高压整流器(高压流整流二极管)

3、输出整流器(输出大电流整流二极管)

4、内部控制电路(脉宽调制器等)

典型开关电源中应用TVS的实例中共有八个TVS管,各自保护自已的对象,当然八个TVS管的特性也不同,从“击穿电压”、“最大脉冲峰值功率”、“脉冲峰值电流”到“箝位电压”等都有区别。

国外应用TVS是非常普遍的,而且数量也是很多的,可见TVS对提高整机应用可靠性是至关重要的。

三、TVS保护直流稳压电源实例

一个直流稳压电源,并有扩大电流输出的晶体管,在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管,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,保护晶体管。建设在每个稳压源输出端增加一个TVS管,可大幅度提高整机应用可靠性。

TVS用于直流电路,上图所示TVS并联于输出端,可有效地保护控制系统。TVS的反向工作电压应等于或略高于直流供电电压,其它参数根据电路的具体条件而定。

上图所示为两个单向TVS连接在电源线路中,用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏。当电路连接有感性负载,如电机、断电器线圈、螺线管时,会产生很高的瞬时脉冲电压。

直流电中选用:

整机直流工作电压12V,最大允许安全电压25V(峰值),浪涌源的阻抗50MΩ,其干扰波形为方波,TP=1MS,最大峰值电流50A。

选择:

1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V,则击穿电压V(BR)= =15.3V;

2、从击穿电压值选取最大箝位电压VC(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V,取VC=20V;

3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率:PPR=VC×IP=20×50=1000W

4、计算折合为TP=1MS指数波的峰值功率,折合系数K1=1.4,PPR=1000W÷1.4=715W

从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W,变位电压VRWM=12.2V,击穿电压V(BR)=15.2V,最大箝位电压VC=22.3V,最大浪涌电流IP=67.3A。可满足上述设计要求,而且留有一倍的余量,不论方波还是指数波都适用。

四、TVS保护晶体管实例

各种瞬变电压能使晶体管EB结或CE结击穿而损坏,特别是晶体管集电极有电感性(线圈、变压器、电动机)负载时,会产生高压反电势,往往使晶体管损坏。建设采用TVS管作为保护器。图中的TVS可以保护晶体管及逻辑电路,从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络。

五、TVS保护集成电路实例

由于集成电路集成度越来越高,其耐压越来越低,容易受到瞬变电压的冲击而损坏,必须采取保护措施。例如CMOS电路在其输入端及输出端都有保护网路,为了更可靠起见,在各整机对外接口处还增加各种保护网络。

六、TVS保护可控硅实例

可控硅可能误触发导致误动作,可控硅控制极电流不能太大,电压不能过高,必须采用各种保护措施。

七、TVS保护继电器实例

继电器有驱动线圈,当用大功率晶体管驱动时,应采取保护措施。继电器的触点往往用大电流去开关电动机等大电流电感负载,而电感在开关时有很高的反电势,而且有较大的能量,往往把触点烧坏或击穿产生电弧等,必须对触点采取保护,抑制电弧的产生,以保护继电器。但是这种电弧产生的浪涌电流很大,过去采用电容或者用电容串联电阻、二极管、二极管串联电阻等抑制方案,现在采用瞬变电压抑制二极管方案效果更好。

美国军标举例说明TVS管的选取方法:

已知:TVS管的箝位电压VC,负载电感L和电阻RL

计算步骤:

先得出最大峰值电流IP

再求最大脉冲峰值功率PPR = IP × VC

最后得脉冲时间TP

瞬变电压抑制二极管的脉冲峰值功率与持续时间有一定关系,否则会烧坏TVS管。

八、TVS保护集成运放

集成运放对外界电应力非常敏感,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,出现了过大的电压或电流,特别是浪涌和静电脉冲,就很容易使运放受损或换效。在运放差模输入端采取的过压损伤保护方法。积分电路中,如果电容充放电到高电位,然后切断电源电压,就会在输入端产生瞬态电压,交出现大的放电电流,导致运放受损。如果电容值较大(如大于0.1μF),这种效应将会十分显著。采用简单的保护电路,就能有效地防止差模电压过大,导致运放内部的电路失效。

九、TVS抑制电磁脉冲干扰实例

美国哈里期公司对电子元器件抗辐射的论文中,谈及核爆炸引发强大的电磁脉冲,这种电脉冲在导线中引起感应电压,如果感应电压超过器件的击穿电压,就可能使元器件击穿失效,特别长线传输时,更能感应而产生较高的电压。

用瞬变电压抑制二极管并联在信号线及电源线上,可以吸收电磁脉冲引起的感应电压,保证系统的可靠性,避免辐射损坏元器件。

十、用TVS防止感应雷电损坏微机系统实例

某国内计算机中上瞬变电压抑制器,提高了应用可靠性,受到用户好评。

南方打雷很多,雷电感应电压常常把计算机网中的部分计算机的集成电路击穿。每年有不少联网计算机因雷击而损坏,原因是分机与主机这间有200米以上的电缆,电缆中因雷电感应产生瞬态高压把计算机中的元器件击穿而损坏,产生较大的损失,在微机中加装很多瞬变电压抑制二级管后不再损坏。实践说明瞬变电压抑制二极管很实用,能提高整机应用可靠性,会产生较大的经济效益。

还有很多应用,例如对VMOS大功率三极管,在栅极与源机之间中上瞬变电压抑制二极管,可以防止栅极击穿,提高VMOS功率管的应用可靠性。



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