1、TVS 的特性及应用 2004-12-13 作者：huanghm 瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor）简称 TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。当 TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以 10-12 秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应时间快、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、电子镇流器、家用电器
2、、仪器仪表（电度表） 、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL 、USB 、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF 耦合 /IC 驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。具体有以下三大特点：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肪冲，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 30m
3、s 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。一、TVS 的特性及主要参数 1、TVS 的特性曲线TVS 的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的 PN 结雪崩器件。在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过 TVS 的电流，由原来的反向漏电流 ID 上升到 IR 时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压 VWM 上升到击穿电压 VBR，TVS 被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过
4、 TVS 的电流达到峰值脉冲电流 IPP。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下。尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS 两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态。这就是 TVS 抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整个过程。2、TVS 的特性参数最大反向漏电流 ID 和额定反向关断电压 VWM。VWM 是 TVS 最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加入 TVS 的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流 ID。最小击穿电压 VBR 和击穿电流 IRVBR 是 TVS 最小的雪崩电压。25 时，在这个电压之前， TVS 是不导通的。当 TVS
5、 流过规定的 1mA 电流（IR）时，加入 TVS 两极间的电压为其最小击穿电压 VBR。按 TVS 的 VBR 与标准值的离散程度，可把 TVS 分为5%VBR 和平共处10% VBR 两种。对于5%VBR 来说，VWM=0.85VBR；对于10% VBR 来说，VWM=0.81 VBR。最大箝拉电压 VC 和最大峰值脉冲电流 IPP当持续时间为 20 微秒的脉冲峰值电流 IPP 流过 TVS 时，在其两极间出现的最大峰值电压为 VC。它是串联电阻上和因温度系数两者电压上升的组合。VC 、IPP 反映了 TVS 器件的浪涌抑制能力。VC 与 VBR 之比称为箝位因子，一般在 1.21.4之间
6、。电容量 C电容量 C 是 TVS 雪崩结截面决定的、在特定的 1MHZ 频率下测得的。C 的大小与 TVS 的电流承受能力成正比，C 过大将使信号衰减。因此，C 是数据接口电路选用 TVS 的重要参数。最大峰值脉冲功耗 PMPM 是 TVS 能承受的最大峰值脉冲耗散功率。其规定的试验脉冲波形和各种 TVS 的 PM 值，请查阅有关产品手册。在给定的最大箝位电压下，功耗 PM 越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗 PM 下，箝位电压 VC 越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且 TVS 所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重
7、复频率（持续时间与间歇时间之比）为 0.01%，如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的“累积” ，有可能使 TVS 损坏。箝位时间 TC TC 是从零到最小击穿电压 VBR 的时间。对单极性 TVS 小于 110-12 秒；对双极性 TVS 小于是 110-11 秒。二、 TVS 二极管的分类 TVS 器件可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如：各种交流电压保护器、4200mA 电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插 TVS 阵列（适用多线保护） 、贴片式、
8、组件式和大功率模块式等。三、 TVS 的选用技巧 1、确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。2、TVS 额定反向关断 VWM 应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的 VWM 太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压，并行连接分电流。3、 TVS 的最大箝位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压。4、在规定的脉冲持续时间内，TVS 的最大峰值脉冲功耗 PM 必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。5、对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容 C 的
9、 TVS 器件6、根据用途选用 TVS 的极性及封装结构。交流电路选用双极性 TVS 较为合理；多线保护选用 TVS 阵列更为有利。7、温度考虑。瞬态电压抑制器可以在55+150之间工作。如果需要 TVS 在一个变化的温度 工作，由于其反向漏电流 ID是随增加而增大；功耗随 TVS 结温增加而下降，从+25到+175，大约线性下降 50雨击穿电压 VBR 随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。四、TVS 与压敏电阻的比较 目前，国内不少需进行浪涌保护的设备上使用的是压敏电阻。压敏电阻是一种金属化物变阻器。TVS 比压敏电阻的特性优越得多，具体特性
10、参数的比较如下表所示。关键参数或极限值 TVS 压敏电阻反应速度 10-12s 510-8有否老化现象 否 有最高使用温度 175 115元件极性 单极性与双极性 单极性反向漏电流典型值 5A 200A箝位因子（V C/VBR） 1.5 78密封性质 密封不透气 透气价格 较贵 便宜上海歆旺电子有限公司（原名：先旺电子有限公司）是一家以代理/经销各类电子元器件及电子产品为主的专业商贸公司，是美国、德国、法国、日本、韩国及台湾等一些公司的电子元器件及电子产品在国内的指定代理/经销商，同时也经销国内外各名牌的集成电路。目前本公司代理/经销的产品有：1. 德国 OBO 公司：防雷器件产品；V20-C
11、/3+NPE、V25-C/3+NPE、MC 50 等；2 韩国 PARTNICS 公司：钽电容、铝电解电容产品；3 台湾 ACX 公司：微型电感、滤波器、耦合器、平衡器等产品；4 台湾 CONCORD（康可）公司：TVS 管、TSS 管；SA、P6KE、P4KE、1.5KE、SMAJ、SMBJ、SMCJ、SMDJ、P4SMA、P6SMB、1. 5SMC、BZW、3KP、5KP、15KPA、20KPA、30KPA、3T、LCE、SAC 等；5 美国 UMD 公司：TVS 管阵列；U/B02SCP05B、U/B02SCP08B、U/B02SCP15B、U/B06SCP05B、UMD05L、UMDS
12、O16LC05B36B、UMD03B36B 等；6 美国 BI 公司：多圈电位器、网络电阻、功率因素补偿模块；78PR、72BR、67WR 等；7 美国 PROTEK 公司：TVS 管、TSS 管；PSRDA05-4、PSOT03C、PSOT05LC、PSOT12C、PSOT05C、PLC497、PUSB6B-3V/5V、PSM712、SM20M05-18、SM16LC05C、SM8LC12、SLVU2.8、SLVU2.8-4、SMDA15C、SMDA05LCC、PSMDA05 等；本公司代理/经销的产品品种齐全、价格合理、交货及时，若有需求请直接与本公司联系，我们将竭诚为您服务。公司服务宗旨
13、：为客户提供优质的产品、为客户提供一流的服务、为客户提供强有力的技术支持摘要随着计算机和通信技术的快速发展，各行各业都不同程度地建立了计算机网络，通信手段也越来越好，同时，由于雷击而导致计算机与通信系统损坏的问题也越来越严重。本文将对现有的避雷器件作比较分析，设计实用、有效的避雷系统，并提出计算机与通信系统的防雷要点。1、引言 早期的电信设备是用诸如继电器、线圈和真空管等元件组成的，这些传统元件对于突波干扰是有一定的免疫力，但是，随着这些传统元件被更先进的元器件及设备，如数字环路载体、多路调制器等所代替，特别是随着计算机网络技术的发展，各行各业都不同程度地建立了计算机网络，保护这些智能设备免遭
14、系统瞬态 干扰的影响就变得更加重要。本文将对现有的避雷器件作比较分析，设计实用的避雷系统，并对计算机房和通信设备系统提出防雷要点。 2、避雷器件与特性分析避雷器件是指能吸收由于雷击或操作过电压引起的脉动能量，从而避免电子设备受损坏或避免寿命降低的器件，包括气体放电管、压敏电阻、抑制二极管和半导体放电管。气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成。其电气性能基本上取决于气体种类、气体压力以及电极距离。如果发生电压冲击，电极间会产生某种电弧，电离气体放电的路径是由高阻抗转向低阻抗。该放电过程阻止一个更高的冲击幅值，此处的弧电压大约降低1030V。气体放电管受到瞬态高
15、能量冲击时，它能以 10-6s 量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。压敏电阻：压敏电阻或金属氧化膜压敏电阻允许标志在其上的最大正弦交流工作电压通过。任何高于这一标志电压值的电压会被安全的转换，受到瞬态高能量冲击时，它能以 10-9s 量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。压敏电阻可用于中等较高的电压冲击场合。抑制二极管：抑制二极管与普通齐纳二极管(稳压管) 的工作原理类似。如果高于标志在其上的击穿电压，二极管就会导通。与齐纳管相比，抑制二极管(简称 TVS)有更高的电流导通能力。TVS 的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以 10-
16、12s 量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。它比使用压敏电阻进行浪涌保护优越得多。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、体积小等特点。其功能有： (1)将 TVS 二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或集成电路因瞬间的脉冲，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
17、致损坏。利用 TVS 二极管，可有效吸收对器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的雷击等干扰。 (3)将 TVS 二极管连接在信号线及地之间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。 TVS 电压-电流特性曲线如图 1(a)所示。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的 PN 结雪崩器件。图 1(b)是 TVS 的电流- 时间和电压- 时间曲线。 在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过 TVS 的电流，由原来的反向漏电流 ID 上升到 IR 时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压 VWM 上升到击穿电压 VBR，TVS 被击穿。随着脉冲峰值的出现，流过 TVS的电流达到峰值脉冲电流 IP
18、P。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下，尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS 两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是 TVS 抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整体过程。 TVS 器件可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如，各种交流电压保护器、420mA 电流环保护器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插 TVS 阵列( 适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。 半导体放电管：半导体放电管的工作状态如同一个开关。在断开状态下，其漏电流
19、 IDRM 极小(5A)，不会影响与其并联的被保护电路的正常工作。当瞬间过电压超过其断态峰值电压 VDRM 时，产生瞬间雪崩效应，一旦瞬间电流超过开关电流 IS，其电压即降为导通电压 VT(5V)，大量的瞬间浪涌电流就此傍路，因而保护了并联的敏感电子线路。浪涌之后，当电流降到最小维持电流 IH 值之下时，半导体放电管自然恢复，回到其阻断状态。 从以上分析可见：半导体放电管和 TVS 管反应速度快，时间为 10-12s 级；压敏电阻和气体放电管的反应速度相对而言较慢，时间分别为 10-9s 和 10-6S，而吸收的能量要比半导体放电管和 TVS 管大。 3、计算机网络与通信系统的避雷器设计 计算
20、机网络与通信系统的避雷器主要是把雷击或操作过电压引起的暂态干扰能量及时泄放掉，保护 计算机与通信设备不受损坏，而在正常工作时不影响数据通信。其避雷器组成框图如图 2 所示。 图中，一级、二级能量泄放模块将雷击或操作过电压引起的暂态干扰中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限压模块主要是及时削减干扰电压，以免高电压冲击造成计算机和通信系统内集成块永久性损坏。 因半导体放电管和 TVS 管反应速度为 10-12s 级，压敏电阻和气体放电管的反应时间分别为 10-9s 和10-6s，所以避雷器中快速限压模块一般采用半导体放电管或 TVS 管。一级能量泄放模块采用气体放电管，二级能量泄放模块采用压敏电阻。
21、考虑到雷击或操作过电压能量太大时，会引起避雷元器件爆裂或永久性损坏，避雷器可以增加熔丝保护。具体的避雷元器件选取方法为：压敏电阻的选用：对于过电压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般用以下公式计算： V1av/bc 式中 a电源电压波动系数，一般取 1.2 v电路直流工作电压( 交流时为有效值) b压敏电压误差，一般取 0.85 c 元件的老化系数，一般取 0.9 这样计算得到的 V1 实际数值是直流工作电压的 1.5 倍。在交流状态下要考虑电压峰值，因此计算结果 应扩大 1.414 倍，在应用中可参考此公式通过实验来确定。另外要考虑压敏电阻的通流量的选取，通常产品给出的通流
22、量是按产品标准给定的波形，冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品压敏电压变化率小于初值的10%所能承受的最大电流值。产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数。当电流波形幅值降低 50%时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量，以使产品有较高的工作寿命。 TVS 的选用： 首先确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和“高端”容限。TVS 的额定反向关断电压 VWM 应大于或等于被保护电路的最大工作电压，最大箝位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压。若选用的 VWM 太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工
23、作。TVS 并联应用时，由于分流作用而允许总电流增加；串联时，总电压为各个 TVS 压降之和。对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适分布电容 C 的 TVS 器件。半导体放电管的选用：半导体放电管的 VDRM 值必须大于它所保护的最大工作电压，VS 值必须小于被保护器件所允许的瞬间峰值电压，IPP 必须大于计算机或通讯设备标准的规定值，并要考虑断态分布电容的影响。 4、计算机房、通信系统防雷要点 计算机房、通信系统防雷主要由外部防雷系统和内部防雷系统两部分组成。外部防雷包括空气截雷系统即避雷针或避雷带、引下线或接地系统，外部防雷系统应在建筑物设计、建筑施工阶段给予高度重视，以便利用建筑
24、物自身的金属构件达到经济实用的防雷目的；内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备，如计算机及其通信口、电话机、复印机、UPS、数据传输线及空调机等电子设备加装过电压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作将能量泄放，从而保护设备不受损坏。具体防雷要点为： 4.1 机房的防雷接地要求 感应雷侵入机房及计算机网络系统的途径主要有三方面：于交流 380V、220V 的电源线进入、信号传输通道引入、地电位反击等。为了确保机房设备及电脑网络系统稳定可靠运行，以及保障机房工作人员有安全工作环境，根据我国及国际有关规范规定，机房所在的整个楼房建筑体的接地应按均压等电位原则设计，即电子设备
25、的工作接地、保护接地(包括屏蔽接地和建筑物防雷接地) 共同合用一组接地体的联合接地方式，机房为防止地电位反击，其接地电阻不应大于 1。 4.2 机房及信息系统的防雷保护 (1)配电系统采取防雷措施。 (2)计算机外设采取防雷措施，即电源进线并联压敏电阻和 TVS 管，形成过电压防护，信号线采用信号防雷器引入，信号防雷器可根据图 2 所示的原理构成。 (3)通讯系统的信号线经电缆或穿管(埋地) 引入室内，在交换机或 Modem 之前，经过信号防雷器，将信号送至收信设备。到达收信设备(传真机、电话机等)后，再采用信号防雷器进行最末端的防护。(4)计算机网络系统采取防雷措施，主机由 UPS 供电，UPS 经过过电压防护插座插入电源插座，终端服 务器如果由 UPS 供电，防护方法同上；如果电源直接取自市电插座，则也必须经过过电压防护插座插入市电电源插座。主机及服务器的输出接口经过信号防雷器再与网络连接，如需集中监控，监控器电源进线也需经过过电压防护插座再插入电源插座，控制信号线经过信号防雷器再与网络连接
