TVS峰值脈沖功率：越高越好，對(duì)不對(duì)?

瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管最容易被誤解的額定值之一是峰值脈沖功率(P PP)。許多研發(fā)問(wèn)雷卯電子工程師，將主要根據(jù)額定峰值脈沖功率來(lái)選擇電涌保護(hù)組件，并假設(shè)他們的系統(tǒng)將受到良好的保護(hù)。畢竟，合理地假設(shè)更高的額定功率意味著該器件可以吸收更高的瞬態(tài)電流，因此應(yīng)該是更好的。雖然在選擇過(guò)程中可能會(huì)考慮峰值脈沖功率額定值，但不應(yīng)僅根據(jù)該參數(shù)選擇器件。為了說(shuō)明原因，讓我們回顧一下TVS峰值脈沖功率的定義。

什么是TVS峰值脈沖功率?

TVS二極管的峰值脈沖功率額定值定義為設(shè)備在給定脈沖條件下消耗的瞬時(shí)功率，并且是在給定瞬態(tài)事件期間TVS結(jié)中消耗的功率的度量。它通過(guò)以下關(guān)系式計(jì)算：P PP =V C xI PP，其中P PP =峰值脈沖功率(W)，V C =鉗位電壓(V)，I PP =峰值脈沖電流(A)。讓我們檢查一下每個(gè)參數(shù)的含義。

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圖1：峰值脈沖功率計(jì)算

TVS二極管與受保護(hù)的IC并聯(lián)連接(圖2)。在正常工作條件下，TVS二極管會(huì)對(duì)被保護(hù)電路產(chǎn)生高阻抗。在電氣過(guò)應(yīng)力(EOS)事件期間，一旦電壓超過(guò)TVS擊穿電壓，該設(shè)備就會(huì)“開(kāi)啟”并變?yōu)榈妥杩孤窂?，以將瞬態(tài)電流分流到地。該電流被定義為“峰值脈沖電流”。在指定的峰值脈沖電流下，器件兩端產(chǎn)生的電壓就是鉗位電壓。鉗位電壓必須低于被保護(hù)IC的故障電壓。TVS制造商雷卯電子竭盡全力開(kāi)發(fā)降低TVS鉗位電壓同時(shí)保持高峰值脈沖電流處理能力的技術(shù)。

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圖2：TVS二極管連接

在繼續(xù)學(xué)習(xí)之前，重要的是要對(duì)峰值脈沖電流波形的指定方式有很好的了解。在瞬態(tài)條件下，TVS二極管會(huì)耗散器件結(jié)點(diǎn)的功率。TVS結(jié)設(shè)計(jì)用于處理給定結(jié)尺寸的高瞬態(tài)能量。對(duì)于給定的脈沖或脈沖寬度，我們將P PP定義為I PP和V C的乘積。由于能量乘以時(shí)間，因此這是量化設(shè)備能量處理能力的間接方法。在這種情況下，時(shí)間由脈沖持續(xù)時(shí)間給出。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形

多數(shù)TVS二極管I PP和P PP額定值是使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的雙指數(shù)波形定義的，在IEC61000-4-5中最常用。IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)電流波形是一個(gè)雙指數(shù)，上升時(shí)間為8μS，衰減為20μs，即8/ 20μs，如圖3所示。

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圖3：雙指數(shù)波形(摘自IEC標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容性(EMC)–第4-5部分：測(cè)試和測(cè)量技術(shù)–抗浪涌測(cè)試，IEC61000-4-5，2014)

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圖4：各種波形能量大小示意

看一個(gè)實(shí)際示例，請(qǐng)考慮圖5中所示的峰值脈沖電流與鉗位電壓IV特性曲線(xiàn)。在此示例中，考慮了選擇TVS二極管的三個(gè)選項(xiàng)(TVS1，TVS2和TVS3)。要保護(hù)的IC的故障電壓為14V，根據(jù)IEC61000-4-5的要求，該應(yīng)用需要10A的浪涌測(cè)試電流。這意味著，為了保護(hù)IC，對(duì)于10A及以上的峰值脈沖電流，TVS的鉗位電壓應(yīng)低于14V。每個(gè)TVS器件都具有大約7V的相同擊穿電壓，并且根據(jù)IEC61000-4-5的額定最大峰值脈沖電流為20A。對(duì)于20A脈沖(P PP =20A * 15V)，TVS1 的P PP額定值為300W(對(duì)于20A脈沖，TVS2 的P PP額定值為400W(P PP=20A * 20V)，最后對(duì)于20A脈沖，TVS3 的P PP額定值為500W(P PP =20A * 25V)。TVS1被設(shè)計(jì)具有較低的鉗位特性，并且在器件導(dǎo)通的I未達(dá)到14V的IC的故障電壓PP 17A的，遠(yuǎn)高于10A的要求。TVS2直到11A以下才達(dá)到14V鉗位。從理論上講，該器件可以保護(hù)IC，但是設(shè)計(jì)裕度很小。TVS3層夾在14V在I PP約為7A。換句話(huà)說(shuō)，由于較高的鉗位特性，即使TVS保持不變，10A脈沖也可能損壞IC。在這種情況下，TVS1(300W)是最佳解決方案，盡管與TVS2(400W)和TVS3(500W)相比，峰值脈沖功率額定值較低。

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圖5：IV鉗位特性曲線(xiàn)

上面的例子說(shuō)明了在考慮所有其他因素的情況下，較低的鉗位電壓將轉(zhuǎn)化為較低的P PP額定值，但保護(hù)級(jí)別更高。因此，實(shí)際上，峰值脈沖功率額定值是TVS在不損壞的情況下可以吸收多少功率的量度，但不能預(yù)測(cè)TVS對(duì)敏感電路的保護(hù)程度。更重要的是，集中于給定電流的鉗位電壓，以衡量TVS對(duì)電路的保護(hù)程度。

電子產(chǎn)品的接口防護(hù)需用過(guò)壓保護(hù)器件，很多工程師意識(shí)到要用保護(hù)器件，但由于選型不當(dāng)或沒(méi)按照ESD電路PCB設(shè)計(jì)原則，造成產(chǎn)品靜電測(cè)試或EMC測(cè)試不通過(guò)，產(chǎn)品多次驗(yàn)證測(cè)試，浪費(fèi)人力財(cái)力，造成產(chǎn)品延遲上市的事情總有發(fā)生，或過(guò)度設(shè)計(jì)，造成成本壓力。

是否需要測(cè)試驗(yàn)證

雷卯電子專(zhuān)業(yè)為客戶(hù)提供電磁兼容EMC的設(shè)計(jì)服務(wù)，提供實(shí)驗(yàn)室做摸底測(cè)試，被動(dòng)器件對(duì)比分析，從客戶(hù)高效，控本方便完成設(shè)計(jì)，希望為更多的客戶(hù)能快速通過(guò)EMC的項(xiàng)目，提高產(chǎn)品可靠性盡力。

雷卯電子電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，提供外圍靜電/浪涌保護(hù)參考電路。