暂态电压抑制器(TVS)简介

这篇文章介绍了瞬变现象和用来抑制它们的设备。在课程中，你将学习各种用来抑制瞬态的器件，包括瞬态电压抑制二极管、金属氧化物压敏电阻、多晶硅和雪崩二极管。

transient指的是暂时的峰值电压或电流这可能会以各种方式影响电路，小到小故障，大到灾难性故障。电压瞬变的范围从几毫伏到几千伏不等，持续时间从纳秒到数百毫秒不等。一些瞬态是重复的，例如由电机感应振铃引起的瞬态，而其他的瞬态则是零星的，例如ESD事件。

例如，电流瞬变可能是由涌流引起的。下图显示了一个正在热插拔的设备。

侵入电流峰值/瞬态。

施加的电压为5V（青色波形），而电流技术称为“浪涌电流” - （黄色波形）浪涌非常高：其测量值是26.2安培，持续时间为21.6μs。在这种情况下，设备本身可以承受当前的瞬态。然而，根据所连接电源的电流采购能力，它可能变得电流限制，结果可以毫无稳化电流。这可能导致不期望的设备重置或更差。

瞬态的起源

电路的内部或外部连接可以产生瞬态电流。内部生成瞬态的例子包括:

• 归纳负载切换：
  • 继电器线圈
  • 电机
  • 电磁线圈
  • 变形金刚
• 灭弧:
  • 断路器、开关和连接器的触点故障
  • 绕组或绝缘材料的电机
  • 电气布线差
  • 可怜的接地
• 集成电路逻辑切换:
  • TTL
  • 互补金属氧化物半导体

外部生成的瞬态通过路径输入电路（或系统），包括：

• 电源输入线：
  • 雷击
  • 由连接到相同电源的其他设备的接通引起的电感切换
• 数据/信号输入和/或输出线:
  • 我²C
  • 串行通信
  • 以太网
• 其他附加电线/电缆，例如理由

防静电(静电放电)是另一种常见的外部产生的电压瞬变形式。ESD事件可能导致立即的损害，或者更糟的是，潜在的损害——有时被称为“行走的伤员”。使用“行走受伤”一词是因为ESD损坏的部件在发生灾难性故障之前可能会继续正常工作数小时、数天甚至数月。

用来抑制瞬变的装置

有许多设备可以用来帮助抑制电压瞬变。这种装置称为暂态电压抑制器(电视)。下面列出了一些比较流行的电视设备。

旁路电容器

旁路电容-用于抑制电压瞬态-也被称为去耦电容器。这种电容器，通常是两组或三组，两者之间的数值为一或两个数量级，通常放置在每个电源和每个模拟元件上，以确保电源尽可能稳定和无噪声。

电容器的象征

典型值：

• 逻辑应用:0.01 - 0.22µF
• 电源应用:0.1µF及以上

应用程序:

• 低功耗的应用程序
• RC缓冲电路
• 数字逻辑电源导轨的去耦（用于清洁功率）

好处：

• 低成本
• 现成的
• 简单的应用
• 快速的行动

缺点:

• 不均匀的抑制
• 可能需要很多:一个或两个单独的设备

稳压二极管

齐纳二极管是一个专门设计的二极管，其击穿电压降低齐纳电压。这些二极管表现出受控击穿，其允许电流保持靠近齐纳二极管的电压接近齐纳击穿电压。作为侧面，这种特性是使齐纳二极管用于产生参考电压的齐纳二极管。

齐纳二极管也经常用于保护电路免受过电压瞬变，如ESD事件。

齐纳二极管符号

应用程序:

• 低能量电路中的转移/夹紧
• 适用于高频电路
• 适合高速数据线

好处：

• 低成本
• 快速的行动
• 易于使用
• 现成的
• 标准评级
• 双向
• 校准钳位电压
• 通常是开失败(与短失败相反)

缺点:

• 限于低能量处理

瞬态电压抑制二极管

瞬态电压抑制二极管是非常受欢迎的器件，用于在瞬态电压(例如ESD事件)损坏电路之前，将其瞬间箝位到安全水平。虽然标准二极管和齐纳二极管都可以用于瞬态保护，但它们实际上是为整流和电压调节而设计的，因此不像瞬态电压抑制二极管那样可靠或健壮。

瞬态电压抑制(TVS)二极管符号:单向(左)和双向(右)。

应用程序:

• 低能电路和系统中的转移/夹紧
• 适合中频应用

好处：

• 快速的行动
• 易于使用
• 现成的
• 双向或单向的
• 校准的低钳位电压
• 没有短路

缺点:

• 高电容限制频率
• 低能量处理
• 比齐纳二极管(Zener diode)或MOVs更贵

金属氧化物压敏电阻器

金属氧化物压敏电阻(MOV)是一种双向半导体电压暂态抑制器。运动器表现为电压敏感的可变电阻。器件导通(即开关)的电压是电极导线间晶粒数的函数。在制造过程中，这个值可以改变，以创建任何所需的电压击穿阈值。

MOVS（金属氧化物变阻器）符号

应用程序:

• 在所有电压和电流水平下，在大多数低到中频电路中的导流/箝位。
• 可用于AC或DC应用。

好处：

• 低成本
• 快速的行动
• 现成的
• 校准的低钳位电压
• 易于使用
• 标准评级
• 双向
• 没有短路

缺点:

• 中到高电容限制高频性能。
• 只能耗散相对较小的功率，因此不适合需要持续功率耗散的应用。

雪崩二极管

雪崩二极管，如齐纳二极管，设计用于分解并在特定的反向偏置电压下进行非常高的电流。这种行为被称为雪崩效应。类似于齐纳二极管，在最大击穿电压范围内有些限制，雪崩二极管可用于超过4000V的击穿电压。

雪崩二极管以反向偏置结构连接，即阴极连接到更正的电压。因此，在正常情况下，二极管对电路的影响很小，但当其两端的电压超过规定的阈值时，二极管就开始导电。

雪崩二极管符号

应用程序:

• 用于保护电路以防止损坏的高压瞬变。

好处：

• 指定箝位电压V_BR(击穿电压)。
• 使用它可以处理的最大大小的瞬态指定。
• 雪崩击穿事件不具有破坏性——假设二极管不过热。

缺点:

• 已知的副作用是RF噪声产生。

波多奇奇

一种PolySwitch(也称为polyfuse或可复位fuse)是一个正温度系数(PTC)电阻，由导电聚合物混合物构成。在正常操作条件下(即在正常温度条件下)，多晶硅中的导电元件形成低电阻“链”，使电流更容易流动。然而,当电流通过这些链增加,体温高于一些关键阈值(一个点称为“当前”),导电聚合物的晶体结构突然改变成一个伸出和无形状态,因此,PolySwitch的阻力增加,导致电流突然下降。一旦触发，一种多晶硅就会一直处于触发状态，直到故障消除，多晶硅的温度恢复到安全水平。

PolySwitch象征

应用程序:

• 对扬声器，电机，电源和电池组的过电流保护
• 哪里需要自动复位的保险丝(即不需要更换的保险丝)

好处：

• 低成本
• 易于使用
• 自动复位

缺点:

• 需要一个冷却时间来重置

电视摘要

虽然瞬态电压抑制有许多选择和装置，不同的电视设备更适合于某些类型的瞬态或某些操作条件。明智的做法是先了解电路的需求，然后再开始寻找最佳的电视解决方案。

支持信息

• 保护电路：用于汽车应用的新瞬态电压抑制器（TVS）
• 高速ESD保护:AVX的新TVS二极管系列