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1、常见防雷（ surge,lighting)器件 (TVS,压敏电阻，气体放电管，固体放电管，SP D)应用TVS瞬态干扰抑制器性能与应用瞬态干扰瞬态干扰指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成控制系统的电源电压的波动；当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上，使输入控制系统的电压超过系统内部器件的极限电压时，便会损坏控制系统内部的设备，因此必须采用抑制措施。硅瞬变吸收二极管硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管，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时间(亚纳秒级
2、 )和相当高的浪涌吸收能力，及极多的电压档次。可用于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。T
3、VS 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。图2 是 TVS 的电流 -时间和电压 -时间曲线。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
4、能以1012s 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。TVS 的主要参数*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。*最小击穿电压VBR 和击穿电流IR。VBR 是 TVS
5、 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。图 1 TVS 电压电流特性图 2 TVS 电压 (电流 )时间特性*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
6、涌抑制能力。VC 与 VBR 之比称为箝位因子，一般在1.21.4 之间。*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 TVS 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。*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
7、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 。*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 。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
8、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。4TVS 的选用*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。*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。*TVS 的最大反向箝位电压VC 应小于被保护电路的损坏电压。*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
9、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。*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。举例说明， 在一功率开关电路中会产生 120Hz ，宽度为 4ms ，峰值电流为
10、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11.2V25A=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 。*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。*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。*温度考虑瞬态
11、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到 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。TVS 管在使用中应注意的事项对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变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。对小电流负载的保护，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，不会影响线路的正常工作，
12、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。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。TVS 管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS 管与一
13、个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。结语各种电子系统及通信网络等，经常会受到外来的电磁干扰，这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。对这些问题，要做好全面的预防保护措施，设计选用合适的硅瞬变吸收二极管是解决瞬态干扰的良好方案。但随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不断提高的电子产品，设计提供完整的电路保护解决方案，将形成电路保护技术的又一次革命。压敏电阻器 VSRMOV 金属氧化压敏电阻(metal-oxide varistor ) Va
14、ristor 压敏电阻简称 VSR 压敏电阻器简称VSR ，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。它在电路中用文字符号 “RV ” 或“R ”表示，图1-21 是其电路图形符号。（一）压敏电阻器的种类压敏电阻器可以按结构、制造过程、使用材料和伏安特性分类。1按结构分类压敏电阻器按其结构可分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器和薄膜压敏电阻器等。结型压敏电阻器是因为电阻体与金属电极之间的特殊接触，才具有了非线性特性，而体型压敏电阻器的非线性是由电阻体本身的半导体性质决定的。2按使用材料分类压敏电阻器按其使用材料的不同可分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏
15、电阻器、锗（硅）压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻器等多种。3按其伏安特性分类压敏电阻器按其伏安特性可分为对称型压敏电阻器（无极性）和非对称型压敏电阻器（有极性）。（二）压敏电阻器的结构特性与作用1压敏电阻器的结构特性压敏电阻器与普通电阻器不同，它是根据半导体材料的非线性特性制成的。图 1-22 是压敏电阻器忍气吞声外形，其内部结构如图1-23 所示。普通电阻器遵守欧姆定律，而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻
16、状态， 工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。 当压敏电阻器两端电压超过其最限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。2压敏电阻器的作用与应用压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、 吸收尖峰脉冲、 限幅、高压灭弧、 消噪、保护半导体元器件等作用。图 1-24 是压敏电阻器的典型应用电路。（三）压敏电阻器的主要参数压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。1标称电压标称电压是指通过1mA 直流电流时，压敏电阻器两端的电压值。2电压比电压比是指压敏电阻器的电流为1mA 时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。3最大限制电压最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。4残压比流过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压。残压比则的残压与标称电压之比。5通流容
