电涌保护器的原理和结构
另一类是箝位保护器，即保护器件击穿后，器件两端电压不会上升到击穿电压，以箝位的方式起到保护作用。常用的钳形保护器有氧化锌压敏MOV、瞬态电压抑制器(TVS)等。保护器分为过压保护元件和过流保护元件。我们通常所说的“避雷器”、“电涌抑制器”、“过电压限制器”、放电管、齐纳二极管等。引进国外防雷装置的，属于限压元件。它们的工作原理相似，但在流量、动作速度、残压等方面有很大的区别。正温度系数PTC、电感、电阻、保险丝都属于过流保护元件。二极管保护器件包括开关二极管、齐纳二极管、瞬态二极管等。它们的保护性能几乎相同，但在抗冲击性和极限电压水平方面略有不同。正常情况下，电子管具有高电阻，当施加的电压达到其阈值时，电流迅速增加。它是一种响应极快的保护元件，极限电压低，管两端的压降基本不受冲击电压和冲击电流的影响，所以是精密设备中唯一保护半导体电路的元件。近年来发展起来的瞬态二极管，在电流容量上有了很大的突破，可以用于第二道甚至第一道保护。二极管保护器件是利用硅PN结正向压降(VF)和反向雪崩击穿电压(VZ)的特性制成的，如瞬态电压抑制二极管(TVS)。二极管保护器件有两种:一种是齐纳单向雪崩击穿，另一种是双向硅压敏电阻。在规定的反向应用条件下，当TVS器件受到高能瞬时过压脉冲时，其工作阻抗可以立即降低到很低的水平，以允许大电流通过，电压被箝位在预定的水平，从而有效保护电子产品中的精密元器件不受损坏。双向TVS可以吸收正负方向的瞬时大脉冲功率，并将电压箝位在预定水平。双向TVS适用于交流电路。TVS最大的优势就是箝位系数小。所谓箝位系数，是指最大值时流经TVs的电流端电压与最小值时流经TVS的电流端电压之比。箝位系数越小，抑制瞬态电压的效果越好。TVS器件的其他优点是体积小，响应快(小于1ns)，可靠性高，每次瞬态电压后其性能不会下降。缺点是电容大，电流容差小。目前国外的TVS器件都采用了密闭的外壳封装，外形为DO-41，而普通民用器件则采用有引线或无引线的塑封，如美国通用仪器公司生产的400W、600W、1500W扁平塑封，400W的工作电压为5.5 ~ 162V。600W的工作电压为5.5 ~ 162V，型号为TSMB6.8~TSMB200，外形为SMB/d 0214AA；1500W工作电压5.5 ~ 162V，型号为台积电6.8 ~台积电200，外形为SMC/D0214AB。公司还生产无铅圆柱产品，型号为tgl 41-6.8 ~ tgl 41-200，外形为MELF GL41。公司还生产5000W电视，工作电压5.0 ~ 110V，型号为5KP5.0 ~ 5KP10，外形为P600。TVS的另一个发展方向是开发低压产品，目前正在开发的产品电压范围是2.8 ~ 3.8V，以满足低压微处理器和IC的需求。3硅瞬态吸收二极管
硅瞬态吸收二极管的工作原理有点像普通的稳压器。它是一种夹紧干扰吸收装置，其应用是与被保护设备并联使用。硅瞬态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多种电压等级。它可以保护设备或电路免受静态和感性负载切换引起的瞬态电压和感应雷电引起的过电压。TVS管有两种:单向(单二极管)和双向(两个二极管背靠背连接)。它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。在使用中，TVS管的击穿电压比被保护电路的工作电压高10%左右，以防止TVS的漏电流因线路工作电压接近TVS的击穿电压而影响电路的正常工作。也避免了环境温度变化引起的TVS管击穿电压落入线路正常工作电压范围。TVS管有多种封装形式，如轴向引线产品可用于电源馈线上，双列直插式和表面贴装产品适用于保护印制板上的逻辑电路、I/O总线和数据总线。3.1 TVS的特点TVS的电路符号与普通稳压器相同。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两极电压从额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，并被击穿。随着击穿电流的出现，流经TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，其两端的电压将被箝位在预定的最大箝位电压VC以下。然后随着脉冲电流呈指数衰减，TVS两极之间的电压也不断下降，最终回到初始状态。这就是TVS抑制可能的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。当TVS的两极受到反向高能冲击时，它能以10 ~ 12s的速度使两极之间的阻抗由高变低，吸收高达几千瓦的浪涌功率，将两极之间的电位箝位在预定值，有效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，已广泛应用于家用电器、电子仪器、通信设备、电源、计算机系统等领域。3.2 TVs(1)的主要参数是最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS的最大连续DC或脉冲电压。当这个反向电压施加在TVS的两极之间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应该小于或等于它的最大反向漏电流ID。(2)最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS的最小击穿电压。在25℃时，低于这个电压TVS不会发生雪崩。当1mA的额定电流(IR)流过TVS时，施加在TVS两极的电压就是其最小击穿电压VBR。根据TVS VBR与标准值的离散程度，VBR可分为5%和10%。对于5%的VBR，vWM = 0.85 VBR；对于10% VBR，vWM = 0.81 VBR；(3)最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，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的比值称为钳位因子，一般在1.2到1.4之间。(4)电容c电容c由TVS雪崩结的截面决定，在特定频率1MHz下测量。C的大小与TVS的电流承载能力成正比，过大的C会衰减信号。因此，C是为数据接口电路选择TVS的重要参数；(5)最大峰值脉冲功耗PM。PM是TVS可以承受的最大峰值脉冲功耗。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，浪涌电流容限越大。在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，浪涌电流容限越大。此外，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能承受的瞬态脉冲是不重复的，装置规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)是0.01%。如果电路中出现重复脉冲，要考虑脉冲功率的积累，可能会损坏TVS；(6)夹紧时间TC。TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对于单极电视，小于1×10-12s；对于双极电视，小于10× 10-12s。3.3 TVS的分类TVS器件按极性可分为单极和双极；按用途可分为一般型和特殊型；按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插式TVS阵列、贴片和大功率模块。轴向引线峰值功率可达400W、500W、600W、1500W、5000W。其中，大功率产品主要用于电力馈线，小功率产品主要用于高密度安装场合。对于高密度安装场合，还可以选择双列直插和表贴封装形式。3.4 TVs(1)的选择决定了被保护电路的最大DC或连续工作电压、额定标准电压和电路的最大耐受电压；(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。如果选择的VWM太低，器件可能进入雪崩状态，或者反向漏电流太大可能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。(4)在规定的脉冲持续时间内，TVs的最大峰值脉冲功率PM必须大于受保护电路的可能峰值脉冲功率。确定最大箝位电压后，峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。通常，TVS的最大峰值脉冲功率由10/1000 ms的非重复脉冲给出，而实际脉冲宽度由脉冲源决定。当脉冲宽度不同时，其峰值功率也不同。比如一个600WTVS，1000mS脉宽最大吸收功率是600W，但是50mS脉宽可以达到2100W，10mS脉宽只有200W。而且，吸收的功率还与脉冲波形有关，如
如果是半正弦波形式的脉冲，吸收的功率会降低到75%；如果是方波脉冲，吸收的功率会降低到66%；(5)平均稳态功率的匹配对于需要承受定期和短期脉冲突发的电视，如继电器、电源开关或电机控制等，有必要引入平均稳态功率的概念。例如，在一个功率开关电路中，会产生一个120Hz、宽度为4mS、峰值电流为25A的脉冲群。所选TVS可以将单个脉冲的电压箝位在11.2V..平均稳态功率计算如下:脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120 = 0.0083s，峰值吸收功率为箝位电压与脉冲电流的乘积11.2v× 25a = 280w，平均功率为峰值功率与脉宽与脉冲间隔之比的乘积，即280x(。也就是说，电视的平均稳态功率必须大于0.1.34 W；(6)对于数据接口电路的保护，还必须注意选择电容c合适的TVS器件；(7)根据用途选择电视的极性和封装结构。交流回路选择双极型TVS是合理的，多线路保护选择TVS阵列更有优势。