瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車、家用電器、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。本文將結(jié)合 TVS 應(yīng)用的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)，介紹 TVS 的幾種典型應(yīng)用電路，并通過 TVS 在熱插拔電路保護(hù)和汽車電源線保護(hù)中應(yīng)用的實(shí)例，來詳細(xì)探討如何正確應(yīng)用TVS 和使 TVS 的應(yīng)用效能最佳。

在實(shí)際的應(yīng)用電路中，處理瞬時(shí)脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開。為達(dá)到這一目的，將 TVS 在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，TNS 將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過 TVS 被引開，從而避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。在此之后，當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后， TVS 二極管再自動(dòng)恢復(fù)至高阻狀態(tài)，

整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。

1 TVS 應(yīng)用的三大特點(diǎn)

1）將 TVS 二極管加在信號(hào)及電源線上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

2）靜電放電效應(yīng)能釋放超過 10000V、 60A 以上的脈沖，并能持續(xù)10ms；而一般的 TTL 器件，遇到超過 30ms 的 10V 脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。利用 TVS 二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾（Crosstalk）。

3）將 TVS 二極管放置在信號(hào)線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。2 TVS 管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)對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變化莫測，事前要有估計(jì)。對寬脈沖應(yīng)降額使用。對小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)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(huì)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 TVS 的典型應(yīng)用電路

3.1 TVS 在交流電路中的應(yīng)用

圖 1 所示是一個(gè)雙向 TVS 在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用 TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。圖 1 中的 TVS 箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。

3.2 用 TVS 保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

圖 2 是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上 TVS，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時(shí)還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護(hù)晶體管。建議在每個(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè) TVS 管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。

3.3 用 TVS 保護(hù)晶體管電路

各種瞬變電壓能使晶體管的 EB 結(jié)或 CE 結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性（線圈、變壓器、電動(dòng)機(jī)）負(fù)載時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生高壓反電勢，因而可能使晶體管損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用 TVS 作為保護(hù)器件。圖 3 所示為 TVS 保護(hù)晶體管的四種電路實(shí)例。

3.4 用 TVS 保護(hù)集成運(yùn)放

集成運(yùn)放對外界電應(yīng)力非常敏感。因此，在使用運(yùn)放的過程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會(huì)出現(xiàn)過大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖4 所示是用 TVS 在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路。

4 TVS 的應(yīng)用實(shí)例

4.1 TVS 用于熱插拔電路保護(hù)

在熱插拔應(yīng)用中， TVS 主要用作需要被中斷的差模電流的接地分流路徑。熱插拔系統(tǒng)常被用在分布式電源系統(tǒng)中提供可靠的系統(tǒng)保護(hù)和電氣管理，典型服務(wù)器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔

電路原理圖如圖 5 所示。

從本質(zhì)上講，當(dāng)檢測到故障和電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換率可能達(dá)到 100A/μ s 或以上時(shí)，圖5 中的通路 MOSFET Q1 將迅速被熱插拔控制器關(guān)閉。不過，輸入功率路徑的電源軌總線結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)寄生電感（與電源母線的長度和固有環(huán)路面積有關(guān)）。儲(chǔ)存在該電感的能量將轉(zhuǎn)移到電路中的其他元件，以致產(chǎn)生過壓動(dòng)態(tài)行為。為了防止下游元件被損壞，在分流保護(hù)配置中從 VIN 至 GND 處連接了響應(yīng)速度快的單向 TVS（瞬態(tài)電壓抑制）硅二極管，如圖 5 所示。

應(yīng)用于熱插拔電路中的 TVS 選擇可按照以下步驟進(jìn)行：

1）用切斷電壓 VR 選擇單向 TVS，該電壓等于或大于直流或連續(xù)峰值工作母線電壓水平。 14V

或 15V TVS 適合低阻抗 12VDC±10％的服務(wù)器系統(tǒng)輸入總線。

2）根據(jù)熱插拔控制器斷路器閾值電壓、響應(yīng)時(shí)間和所選分流電阻器來確定峰值脈沖電流水

平 IP。

3）利用公式 （式中， VC：鉗位電壓； IP：峰值脈沖電流；VC（max）：最大鉗位電壓； VBR：擊穿電壓； IPP：采用 10/1000 ms 波形的 VC（max）條件下的最大峰值脈沖電流。）由第 2 步和相關(guān)數(shù)據(jù)表參數(shù)給定的 IP 水平來計(jì)算電路鉗位電壓 VC。 VC 是否足夠低？如果不是，另一種方法是使用一個(gè)較大的 TVS，以獲得較陡峭的下降。請注意， VC 的電壓溫度系數(shù)與 VBR 類

似（例如在 75℃的工作環(huán)境條件下， 0.1%/℃意味著該系數(shù)增加了5％）。

4）計(jì)算出 VC 和 IP 的乘積，以獲得由 TVS 維持的實(shí)際峰值功率水平。

5）利用公式 （式中， L 為電路中的寄生電感）和已知的輸入寄生電感來確定三角脈沖波形的脈沖持續(xù)時(shí)間 td（即衰減到零的時(shí)間）。

6）使用類似圖 6（a）曲線的第 5 步脈沖持續(xù)時(shí)間降額 PPP。如前所述，三角脈沖電流波形可以實(shí)現(xiàn)比雙指數(shù)參考波形曲線高 33％的脈沖功率。

7）使用類似圖 6（b）曲線的環(huán)境溫度降額 PPP。同時(shí)應(yīng)該考慮相鄰元件的相互熱效應(yīng)。

8）第 7 步的凈降額 PPP 是否實(shí)現(xiàn)了由第 4 步計(jì)算的實(shí)際 TVS峰值功率的足夠設(shè)計(jì)余量（至少 50％）？如果沒有，選擇一個(gè)較大的TVS 并重復(fù) 1-8 步驟。

4.2 TVS 用于汽車電源線的初級保護(hù)和次級保護(hù)

電子控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng)等汽車電子設(shè)備連接在一根電源線上，如圖 7 所示。這些電子產(chǎn)品的電源是電池和交流發(fā)電機(jī)，這兩種電源的輸出電壓都不穩(wěn)定，容易受溫度、工作狀態(tài)和其他條件影響。此外，使用燃油噴射系統(tǒng)、閥、電機(jī)、電氣和水解控制器等電磁線圈負(fù)載的汽車系統(tǒng)，會(huì)把ESD、尖峰噪聲和其他類型的瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號(hào)線上。因此，汽車設(shè)計(jì)中必須保護(hù)電子設(shè)備（例如控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng)）免受電

源線上出現(xiàn)的有害浪涌電壓、瞬態(tài)電壓、 ESD 和噪聲的損害。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是汽車電子保護(hù)的理想方案，下面主要介紹 TVS 在汽車電源線中的初級保護(hù)和次級保護(hù)應(yīng)用。

4.2.1 汽車電源線初級保護(hù)（甩負(fù)荷）

用于汽車電子初級保護(hù)的甩負(fù)荷 TVS 有兩類：外延型和非外延型。在反偏模式下，這兩組產(chǎn)品具有相似的擊穿工作特性。不同之處在于，外延型 TVS 在正向模式下具有低正向壓降（VF）特性，非外延型TVS 在相同條件下 VF 相對較高。

在反向電源輸入模式中，電源線電壓與 TVS VF 的電壓相同，這種反偏模式會(huì)引起電子線路故障，外延型 TVS 的低正向壓降能夠很好地解決這個(gè)問題，如圖 8 所示。

4.2.2 汽車電源線的次級保護(hù)

汽車系統(tǒng)中保護(hù)電路的初級對象是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此，在 24V動(dòng)力總成中的次級保護(hù)特別重要，比如卡車和貨車中的動(dòng)力總成。其主要原因是因?yàn)榇蠖鄶?shù)穩(wěn)壓器和 DC-DC轉(zhuǎn)換器 IC 的最大輸入電壓是 45V~60V。對于此類應(yīng)用，建議使用圖9 中的次級保護(hù)。在電源線上增加電阻 R 可以減小瞬態(tài)電流，這樣就可以使用更小額定功率的 TVS作為次級保護(hù)。

5 TVS 二極管效能最佳化

如何使 TVS 在電路中應(yīng)用的效能最佳？印制電路板的布線及電路元件的選擇很重要，通過合理放置 TVS 的位置、接地選擇、寄生電感和回路區(qū)的處理，以及突崩式 TVS 與二極管陣列、單向與雙向突崩式TVS 二極管、外部與內(nèi)部晶片保護(hù)電路的比較，科學(xué)合理地進(jìn)行 PCB的布線和 TVS 元件的選擇，使 TVS 的效能最佳化。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了 TVS 的應(yīng)用特點(diǎn)、典型應(yīng)用及應(yīng)用實(shí)例，并從印制電路板的布線和 TVS 元件的選擇兩個(gè)方面探討了如何使 TVS 的效能最佳化的措施，對電路保護(hù)設(shè)計(jì)工程師合理高效應(yīng)用 TVS 進(jìn)行電路保護(hù)設(shè)計(jì)非常有參考價(jià)值。
編輯：hfy