搜索瞬变干扰吸收器件讲解（三）——TVS管与TSS管
2017-05-18 by:CAE仿真在线 来源:互联网
一、关于瞬变干扰的比较
通常所说的瞬变干扰,包括静电放电、电快速瞬变脉冲群、跟雷击浪涌。“静电放电”模拟的是自然界中物体相互摩擦时累积电荷的瞬间放电,特别是人体产生的静电放电;“电快速瞬变脉冲群”模拟的是电路中机械开关对感性负载切换时产生的一系列脉冲干扰;“雷击浪涌”模拟的是雷击在电源线或者通信线上感应产生的波形。由于应用场景不一样,模拟的波形也就不一样,雷击浪涌的能量最大,另外两种的能量都很小,但是无论哪种电瞬变都容易使得半导体器件产生击穿,并危害其他电路的正常工作。
《GB/T 17626.5 浪涌(冲击)抗扰度试验》、《GB/T 17626.2 静电放电抗扰度试验》、《GB/T 17626.4 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》三个规范分别对三种瞬变干扰的波形进行了清晰的定义。三者测试的电压等级是类似的,但是电压波对应的脉冲宽度有较大差异,脉冲宽度可以近似地判断出对应波形的能量。
例如静电放电试验中定义的静电放电波形。GB/T 17626.2中规定了静电放电对应的输出电流波形,同时标定了不同接触放电电压等级下的电流大小。图中可以看到,其波形脉宽在60ns的时候已经下降到峰值的30%不到了。
GB/T 17626.4电快速瞬变脉冲群试验中定义了脉冲群的周期跟单个脉冲的波形。脉冲群重复周期不变为300ms,每个脉冲群有75个脉冲。单个脉冲的电压波形,脉宽也是ns级别,半波时间约为50ns。
前面两篇一直有介绍浪涌的波形。相信大家对浪涌的电压波形也不陌生了,在这里再温故一下。GB/T 17626.4浪涌(冲击)抗扰度试验中定义了浪涌单个脉冲的波形。三种瞬变干扰中,也就只有浪涌的电压波形可以去到μs级别,直接甩开前面二位几个数量级。浪涌带来的破坏性能量也是不容小觑的。
不管怎么说,这三种干扰都是瞬变干扰,浪涌持续时间再怎么长,其对电路造成的破坏也是一瞬间的事情。对比三者的电压波形,主要是方便对瞬变干扰的保护器件进行选型。想要对瞬变干扰进行抑制,保护器件的动作时间就必须超过瞬变干扰的速度。浪涌的影响时间是μs级别,静电放电跟电快速脉冲群的影响时间是ns级别——这是干扰防护选型的重点。
二、关于TVS管&TSS管
TVS管跟TSS管二者的封装类型是类似的。但是二者的吸收效果却有一定的差异。TVS管,全称硅瞬变电压吸收二极管;TSS是电压开关型瞬态抑制二极管,或者叫做导体放电管,固体放电管。从名称上可以直观地看出二者的抗干扰能力区别,同样,可以简单地将吸收效果理解为下图。
相比压敏电阻跟气体放电管,硅瞬变电压吸收二极管对浪涌电压的箝位效果更好,其相应速度是最快的,可以达到ps级别,TVS管用于保护电路,可以使得集成电路、MOS管、混合电路等其他半导体器件组成的电路免受静电、电感性负载切换、雷击感应电压等瞬变干扰的影响危害。其非线性特性比压敏电阻好,对于流过电流增大而上升的电压更慢;但是其通流量小。
固体放电管工作原理与气体放电管类似,而与箝位型吸收器件不同。当TSS管两端的过电压超过TSS管的击穿电压时,TSS管导通相当于短路状态,此时TSS管两端电压接近0V,直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后,TSS恢复开路状态。TSS管的响应速度比TVS管略低,但也能达到ns级别。
1、TVS管与TSS管的工作原理
1.1、TVS管
TVS管的工作方式与压敏电阻类似,一般反向接入电路中做保护作用。当电压当瞬变干扰超过一定电压值时,发生雪崩击穿,导通阻抗瞬间下降,导通电流增大,以热能的形式消耗,从而吸收暂态脉冲。硅瞬变二极管有以下特点:
A 有较大截面积,通流能力较强。
B 管内有含钼或钨的特殊材料制成的散热片,可以更好地散热。
C 由于截面积大,有较大的结电容(几百甚至几千pF),限制了高频下的使用。
单向管伏安特性曲线如下图所示:
双向管伏安特性曲线如下图所示:
1.2、TSS管
TSS管的工作方式则与气体放电管类似,属于能量转移型(开关型)保护器件,击穿电压从几十到几百伏不等,导通压降只有几伏特;浪涌吸收能力能达到几百安培或更大。
工作过程可解释为:
A、固体放电管是一种半导体四层二极管,在击穿之前,几乎不导电(漏电流通常规定≤5μA)。
B、当电压达到Vs(转折电压)后,电压超过维持电流IH,管子负阻特性使得电流急剧增大,两端压降降为Vt(导通压降);管内电流增加,压降几乎不变(此时需要注意,当外部电压高于固体放电管箝位电压,放电管将保持持续性导通,这点跟气体放电管类似)。
C、当电流中断或者将至IH以下,TSS管重新恢复高阻关断状态。
TSS管有双极性保护功能,其伏安特性曲线如下:
2、特征参数
2.1、TVS管
类似于压敏电阻,硅瞬变电压吸收二极管的主要参数是击穿电压、最大箝位电压、峰值脉冲吸收功率、结电容等。实际上压敏电阻本省可以看成无数个微型的TVS管串并联而成,区别是TVS管的箝位特性更出彩。主要参数如下:
1)额定直流持续工作电压Uwm:保持TVS管不进入导通状态两端可加的最大电压。
2)最小击穿电压UBR(min):规定的恒流测试电流It下,所测得管子两端的最小电压。
3)最大箝位电压Uc:管子通过额定峰值10/1000μs电流波时,两端峰值电压最大值。
4)峰值脉冲电流Ipp:测试管子特性使用的10/1000μs峰值电流波大小。
5)峰值脉冲功率Pp:额定的10/1000μs峰值电流波下,管子两端的最大箝位电压与管子通过电流峰值的乘积。
6)漏电流Id:管子两端施加逆向电压Uwm时,测得管子通过的电流。
7)测试电流It:用来测试反向击穿电压的直流恒流电流,一般为1mA。
8)顺向压降Up:单极性器件以额定的正弦波电流(Uf<3.5V)通过半个周期波时的压降。
9)结电容Co:通常在1MHz的特定偏置电压下测得的管子的电容值,由截面积决定。
举例君耀电子(Brightking)TVS管1.5KE规格书中有如下标识:
注:
①25℃时峰值功率1.5kW;
②25℃稳态功率6.5W(引线长度9.5mm);
③25℃顺向浪涌电流额定值为200A(60Hz交流电半周波);
④工作与储存温度为-55℃~+175℃;
脉冲宽度与吸收功率的关系,以及温度与降额的关系:
2.2、TSS管
TSS管的工作过程是:当电压超过转折电压时,固体放电管放电,并将脉冲能量直接泄放到地,等管子电流低于维持电流时,结束放电。常作为选型考虑的有下面一些参数:
1)漏电流Idrm:固体放电管在关断状态最大可施加电压Vdrm下测得的最大峰值关态电流。
2)转换电流Is:进入导通状态所需的最大电流。
3)维持电流IH:保持导通状态所需的最小电流。
4)峰值电流Ipp:保证管子不损坏的最大峰值电流。
5)通态电流It:额定最大持续导通电流。
6)一周波内的峰值浪涌电流Itsm:一个周波内,放电管可以通过的额定最大交流电流。
7)转换电压Vs:进入导通状态两端可施加的最大电压。
8)通态电压Vt:额定通态电流下,测到的放电管最大压降。
9)峰值关态电压Vdrm:维持放电管关断状态的最大电压。
10)关态电容Co:放电管关断状态下测得的典型电容值。
11)电流上升率di/dt。可施加的电流最大上升率。
12)电压上升率dv/dt。可施加的电压最大上升率。
举例硕凯SOCAY半导体放电管-固体放电管P4200SC,其产品规格书中有如下标识:
需要注意的是,不同温度下,转换电压也有区别:
3、使用注意事项
3.1、TVS管
1)按测试规格极性及工作电路极性去选用单向管或者双向管。一般情况下交流电路中选择双向管;在单极性的信号电路和直流电源电路中,选用单向TVS管。
2)由于TVS管一般做精密箝位用,管子最大箝位电压应低于被保护电路可承受电压,同时大于电路正常工作的最大输入电压,保证箝位过程中电路正常工作。
3)通过脉冲宽度、测试电压等级等来估计管子在所处测试条件下应该吸收的功率,并选择在抑制暂态过压时可吸收功率适当的TVS管。
4)确定工作电路的工作温度环境,选择该环境下降额曲线适用的TVS管。
5)类比于压敏电阻,TVS管在工作过程其残压与额定箝位电压也有一定的残压比,大概在1.3~1.6,并随吸收电压的增大而增大。
6)由于TVS管吸收功率有限,一般做精密箝位用,在吸收浪涌干扰时,因尽量靠近被保护电路,并与压敏电阻跟气体放电管等可通过大功率的抑制器件配合使用。并且由于其本身相应速度很快,应该在TVS管与大功率抑制器件之间增加大感值扼流圈。
7)一般分立式TVS的结电容都较高,表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中,应主要选用低结电容的TVS管。
8)对于同一电路中重复出现的功率开关控制感性负载切换的电路,需要引入平均功率的概念,即评估周期脉冲的平均功率Pavg,此功率应小于TVS管的额定稳态功率。
9)由于TVS管制作工艺的问题,管子特性不完全等同,不能并联使用。
10)引线端而宽;安装在瞬变干扰发生处或者急需保护的电路位置;布线与信号线、电源线隔开,避免耦合电压。
11)失效形式是短路。
其他使用注意事项可参考百度文库文档:
https://wenku.baidu.com/view/1311e229915f804d2b16c1d0.html?re=view
3.2、TSS管
作为瞬变干扰抑制保护器件,固体放电管选型同样要保证接入电路可以对瞬变干扰进行抑制,又要保证不能影响电路正常工作过程。综合来讲有几个点:
1)受保护电子设备(电路)的正常工作电压最大值要保证低于固体放电管的直流击穿电压最小值,且有一定余量;同时TSS管转换电压必须小于受保护电子设备(电路)能承受的瞬间电压尖峰。
2)Ipp应该大于瞬变干扰可能出现的最大浪涌电流峰值。
3)保护直流设备时,要使得流过TSS管的电流小于维持电流,保证设备正常工作时TSS管关断。即设备输入端短路时TSS管电流应小于维持电流。
4)TSS管多用于信号线防雷保护。
5)半导体放电管处于导通状态(导通)时,所损耗的功率P应小于其额定功率Pcm,Pcm=K*Ipp,其中K由短路电流的波形决定。对于指数波,方波,正弦波,三角波K值分别为1.00,1.4,2.2,2.8。
6)在电源输入的防雷中, 模拟雷击波会在共模电感上感应出很高的电压,与本身的电压结合后会对后级元件进行破坏,(其实雷击时,共模电感两端的电压是很高的)因此并联半导体放电管TSS(BS2300K),可以消耗一部分雷击的能量,避免其流到电源后方,破坏功率器件(摘自“21世纪电源论坛”)。
7)PCB走线同样也需要短而宽的走线。
8)失效形式是短路。
参考书籍:
《开关电源的电磁兼容性设计与测试-钱振宇》
《EMC电磁兼容设计与测试案例分析-郑军奇》
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本文由电磁兼容小组杜对仕整理撰写。内容转载自公众号:电磁兼容EMC 如有问题,请联系本站删除
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