产品可靠性设计-浪涌防护设计中TVS选型与计算

上一篇 有对产品浪涌和雷电脉冲的瞬态抑制方法和思路进行了分析，我们再对浪涌防护中TVS的能量计算方法举例给电子工程师们进行参考。

1）浪涌与EFT及在产品抗扰度测试时的问题及差异

EFT测试是一种高频的现象。其可以通过辐射，它能很容易地与其他电路产生交叉耦合。浪涌是一种频率较低但能量较高的现象。它与其他电路很少发生耦合，且这种耦合通常在本质上为感性的。此外，由于都是大电流，浪涌通常更容易受到阻性阻抗路径的影响，而EFT则是受到电感的影响。

对于没有金属壳体的产品或设备，浪涌抗扰度设计需要引起注意。对接口及连接线测试的地方需要有相关的防护器件比如压敏电阻、TVS等防护器件。

2）典型的器件解决方法

一些常用的瞬态抑制器件的设计如下：

（1）气体放电管为耐用且寿命长的装置。它不能直接用在交流线路上，在交流和直流应用中都需要注意其关键的参数灭弧电压；否则容易造成电路的故障。气体放电管能承受高电压，但响应时间慢其上升时间为100ns。

（2）TVS管的响应时间非常快，可以达到pS级的上升时间，能承受大功率，但预期寿命有限。

（3）压敏电阻MOV的响应时间较快，上升时间可达10～20nS，能承受大功率，但要注意其使用中的安全问题。

在解决一些强浪涌能量时，需要使用压敏电阻、气体放电管及TVS管的相互配合使用。其设计及使用技巧可参考《开关电源电磁兼容分析与设计》。

3）正确选择TVS二极管案例

可使用以下参数来选择TVS二极管：

（1）反向峰值电压>工作电压。反向峰值电压为TVS没有击穿时的工作电压。TVS在信号电压或电源线电压时不能被击穿。

（2）峰值脉冲电流>瞬态电流。TVS必须能承受所施加的高能量脉冲，在测试时不能被损坏。

（3）钳位电压<电路或被保护器件的耐受电压。TVS的钳位电压将随着电流的增加而增加，能比额定的反向峰值电压高25%。这实际上是保护了设备，但电路必须能承受这种较高的电压。

（4）所需的最大电流来自于雷电或浪涌电流的要求。

以应用在直流电路器件的15KP48A-TVS二极管来进行分析：

参数

值

10×1000us试验波形的峰值脉冲耗散功率

15kw

正向峰值浪涌电流，8.3ms的仅单向的单个半正弦波

400A

1. A. 反向峰值电压：48V

2. B. 击穿电压：最小值53.6V ;最大值58.7V

3. C. 最大峰值脉冲电流：194.3A

4. D. 峰值脉冲电流时的最大钳位电压：77.7V

注意：当通过二极管的电流增加，其钳位电压也会随之增加，但增加值可能不是很大。因此，当为产品设计过电压能力时应重点强调这种最大钳位电压。

对于15KP48A的TVS管15KW的含义是：最大峰值电流194.3A与其对应的最大钳位电压77.7V的乘积为 15KW. 亦即知道某些参数，其它参数是可以通过计算得到。

即194.3A×77.7V≈15KW

注意：设计工程师容易对上面表中的正向峰值浪涌电流（400A）和所选择的特定TVS二极管的峰值脉冲电流产生混淆。在使用时应该查找所选择二极管的峰值脉冲电流值。

示例：

标准为：RTCA DO-160F中的雷电感应的瞬态敏感测试：测试电压300V，仪器内阻为1Ω，测试波形为69us/250us。选择器件15KP48A进行防护；分析设计。

假设使用雷电发生器的最小源阻抗进行计算：

（1）浪涌的单根线电流I=300V/1Ω=300A   R=1Ω

（2）最高电压与钳位电压之间的差值U1=300V-77.7V=223V

（3）计算其瞬态功率值为P=V2/R=2232/1≈50kW

（4）TVS钳住此脉冲的总时间t=250us

（5）产生的能量E= V2·t/R=P·t=50kw×0.00025s=12.5J

（6） 器件15KP48A的能量Eq=15kw×1000us=15J

（7） 系统浪涌的测量能量12.5J < 器件能量15J 满足要求。

（8）器件瞬态峰值电流Iq=U1/R =223V/1R =223A

（9）器件的最大峰值脉冲电流=194.3A <223A;因此，电路中需要增加匹配NTC电阻完成设计。

上述案例是直流电源线上的设计。当在交流电源线上使用瞬态抑制器时，必须考虑如下两个非常重要的问题：

1. A. 瞬态抑制器的额定击穿电压必须大于波形的峰值电压加上一定的裕量。比如，如果输入线路电压为AC120V，那么峰值电压将为170V。如果瞬态抑制器的额定电压小于此峰值电压，其将钳住每个波形，从而导致抑制器的损坏。

2. B. 考虑线路的过电压特性。如果交流线路经常遭受10%的过电压比如132V，那么需要重新考虑峰值电压以避免烧坏瞬态抑制器。此时使用额定击穿电压为200V或更大的瞬态抑制器才是可能的设计。

在实际应用中，很少有在交流电网中使用TVS进行浪涌设计的，这只是一个说明器件的参考选择方法，请电子工程师们一定要注意应用场合。

产品问题的发生也是跟我们产品设计可靠性相关联的

更多的电子产品电路可靠性设计系列，会逐渐为大家解开这些设计方面的坑，让电子设计工程师少走弯路，敬请关注！