摘 要：文章结合我国居民信息设备需求的不断增长，阐述了现代住宅居民信息设备瞬态过电压保护的设计原则和浪涌电压抑制器件的分类，重点论述了硅瞬变吸收二极管的特性、参数及其工程选用原则。
关键词： 设计原则 TVS 特性参数 工程应用
一、 设计原则
对于家居信息系统的保护除了做好常规的防雷设施和处理好接地问题外，还应在信息家电的电源端加装相应的过电压保护装置，以消除电网浪涌、雷电感应电压、设备切换等意外事件对信息家电设备的冲击和毁坏。要求进入信息家电内的电源线、信号线应通过防雷、防过压处理，并将设备外壳、室内的金属门、窗、管道等进行等电位处理。信息家电设备雷电过电压及电磁干扰防护是保护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段和确保通信线路、设备运行不受干扰必不可缺少的技术环节。信息网络过电压保护必须运用电磁兼容原理将计算机网络局部的防护归结到整体的雷电过电压保护。
网络设备所处的建筑物作为一个欲保护的空间区域，从电磁兼容的角度出发，可由外到内分为几个雷电保护区，现已规定出各部分空间不同的雷电磁脉冲（LEMP）的严重程度。
根据雷电保护区的划分要求，建筑物外部是直击雷区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区，为０区；建筑物内部所处的位置为非暴露区可将其分为１区、２区，越往内部，危险程度越低，雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成屏蔽层。电气通道以及金属管则必须通过这些界面，穿过各级雷电保护区的金属构件在每一穿过点做等电位联结。
二、浪涌电压抑制器件
浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类。第一种类为橇棒（Crow Bar）器件，其主要特点是器件击穿后的残压很低，因此不仅有利于浪涌电压的迅速泄放，而且使功耗大大降低。另外，该类型器件的漏电流小，器件极间电容量小，所以对线路影响很小。常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌保护器、硅双向对称开关（CSSPD）等。
另一类为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻MOV，瞬态电压抑制器（TVS）等。
保护器分过电压保护元件和过电流保护元件。我们通常所称的“避雷器”和随着国外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“过电压限制器”、放电管、齐纳二极管等都属于电压限制元件。它们的工作原理差不多，但它们之间的通流容量、动作速度、残压等有很大差别。而正温度系数PTC、电感、电阻、保险丝则属于过电流保护元件。
二极管型防护器件包括开关二极管、齐纳二极管、瞬态二极管等。它们的保护性能大致相同，在承受冲击能力和限制电压等级方面稍有不同。正常情况下，管子呈高阻，当外加电压达到其门限值时，电流迅速增加。它是响应速度非常快的保护元件，限幅电压低，管子两端压降基本不受冲击电压和冲击电流的影响，保护精密设备中半导体电路非它莫属。近年来正在发展的瞬态二极管，在通流能力方面有了较大的突破，可用在第二级甚至第一级保护。
二极管型防护器件是利用硅ＰＮ结正向压降（VF）和反向雪崩击穿电压（VZ）的特性制成的，如瞬变电压抑制二极管（TVS）。二极管型防护器件有两种形式：一是齐纳型单向雪崩击穿，二是双向的硅压敏电阻。TVS器件在规定的反向应用条件下，承受到高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低以允许大电流通过，并将电压箝制在预定水平，从而有效地保护电子产品中的精密元器件免受损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制在预定水平，双向TVS适用于交流电路。TVS的最大优点是箝位系数小，所谓箝位系数就是指TVS上流过的电流在最大时的端电压与流过的电流为最小时的端电压的比值，箝位系数越小，抑制瞬变电压的效果越好。TVS器件的其它优点是体积小、响应速度快（小于1ns）、可靠性高、每次经受瞬变电压后其性能不会下降等。缺点是电容大、耐电流量小。
三、 硅瞬变吸收二极管
硅瞬变吸收二极管的工作有点像普通的稳压管，是箝位型的干扰吸收器件，其应用是与被保护设备并联使用。硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应速度（亚纳秒级）、相当高的浪涌吸收能力和极多的电压档次。能保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。
TVS管有单方向（单个二极管）和双方向（两个背对背连接的二极管）两种，它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。使用中，TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右，以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压，使TVS漏电流影响电路正常工作；也避免因环境温度变化导致的TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。TVS管有多种封装形式，如，轴向引线产品可用在电源馈线上，双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、I/O总线及数据总线的保护。
１． TVS的特性
TVS的电路符号和普通的稳压管相同。其电压－电流特性曲线如图１所示。其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。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10～12Ｓ级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。
２． TVS的主要参数
１）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，当这个反向电压加于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；
２）最小击穿电压ＶＢＲ和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的１mA电流（IR）时，加于TVS两极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VBR分为5％和10％两种。对于5％的VBＲ来说，VWM＝0.85VBR；对于10％的VBR来说，VWM＝0.81VBR；
３）最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与ＶBR之比称为箝位因子，一般在1.2～1.4之间；
４）电容量Ｃ。电容量Ｃ是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的１MHz频率下测得的。Ｃ的大小与ＴTVSＶＳ的电流承受能力成正比，Ｃ太大将使信号衰减。因此，Ｃ是数据接口电路选用TVS的重要参数；
５）最大峰值脉冲功耗ＰＭ。ＰＭ是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。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，有可能损坏TVS；
６）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１×10－12Ｓ；对双极性TVS小于10×10－12Ｓ。
３．TVS的分类
TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400Ｗ、500Ｗ、600Ｗ、1500Ｗ和5000Ｗ。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。
４． TVS的选用
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最大可承受电压；
２）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。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；
３）TVS的最大反向箝位电压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的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路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。一般，TVS的最大峰值脉冲功率是以10／1000mS的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时，其峰值功率也不同。如某600ＷTVS，对1000mS脉宽最大吸收功率为600Ｗ，但是对50mS脉宽吸收功率就可达到2100Ｗ，而对10mS的脉宽最大吸收功率就只有200Ｗ了。而且吸收功率还和脉冲波形有关，如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％；若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％；
５）平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。例如，在一功率开关电路中会产生120Hz，宽度为4mS，峰值电流为25Ａ的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到11.2Ｖ。此中平均稳态功率的计算为：脉冲时间间隔等于频率的倒数1／120＝0.0083S，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2Ｖ×25Ａ＝280Ｗ，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积，即280×（0.000004Ｓ／0.0083Ｓ）＝0.134Ｗ。也就是说，选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134Ｗ；
６）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TVS器件；
７）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；
８）根据温度考虑，瞬态电压抑制器可以在－55℃～＋150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25～＋175℃，大约线性下降50％；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。
５． TVS管在使用中应注意的事项
对于瞬变电压的吸收功率（峰值）与瞬变电压脉冲宽度间的关系，手册给的只是特定脉宽下的吸收功率（峰值），而实际线路中的脉冲宽度则是变化莫测的，技术人员事前要有估计，对宽脉冲应降额使用。
对于小电流负载的保护方面，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，就不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
６．降额使用
作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。特别要注意TVS管的引线长短以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
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