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TVS最重要的参数-钳制电压(Clamping Voltage)2020/07/10

TVS的基本特性
 
      TVS (Transient Voltage Suppressor, 暂态电压抑制器),是目前使用于保护电子系统免于静电破坏的电子元件。TVS的符号与Zener Diode一样,TVS的特点是其操作应用于反向偏压区。如图一所示,当电子系统在正常模式操作下,TVS不会有任何动作,系统上的任何讯号传输也不会受TVS所影响。当系统遭受到高能量的静电暂态脉冲时会触发TVS动作,TVS两端的阻抗值会在极短时间内由高阻抗值进入低阻抗值,进而把静电的能量导引到系统的地端(GND),保护系统不受高能量的静电暂态脉冲破坏。
 
 
TVS组件的基本参数有(图二与表一)
 
(1) 工作电压VRWM(Reverse Work Max Voltage):操作在此电压内的TVS呈现为高阻抗状态,系统上的任何讯号传输将不会受TVS所影响。
(2) 反向漏电流ILeak(Reverse Leakage Current) : TVS组件操作在工作电压内时的漏电流。
(3) 崩溃电压VBV(Breakdown Voltage):当TVS组件上的电压超过VBV,TVS两端的阻抗值会在极短时间内由高阻抗值进入低阻抗值。
(4) 动态电阻Rd(Dynamic Resistor):当TVS组件上的电压超过VBV,TVS会进入低阻抗值,而此时的电阻值称为动态电阻。
(5) 钳制电压Vclamp(Clamping Voltage):当TVS受到高能量的静电暂态脉冲触发时,TVS会呈现低阻抗状态来抑制此暂态脉冲的电压,而此时的电压称为钳制电压。钳制电压将会是暂态脉冲来时,系统上会见到的最高电压。

 
图一
 
图二
 
 
TVS系统上的工作原理
 
      TVS在系统上主要功能为保护电子系统免于高能量的暂态脉冲破坏,如静电放电ESD(Electrostatic Discharge)、雷击浪涌Surge、电快速舜态脉冲EFT(Electrical Fast Transient)。TVS通常建议要摆放在connector连接器旁边,因为通常ESD、Surge及EFT都是经由connector进入系统。如图三所示,当这些高能量的暂态脉冲经由connector进入系统后会触发TVS,使TVS立即进入低阻抗状态,TVS会藉此把暂态脉冲的能量导引至系统的地端(GND),所以TVS若能离connector越近,其保护效果会更好。倘若TVS摆放距离connector太过遥远,将会有以下几个问题产生。Connector到TVS路径如果过长,ESD通过的路径的邻近电路都将会耦合到ESD能量,造成其他电路组件的破坏。因此TVS若能离connector越近,会大大降低ESD能量耦合到其他电路的机会。并且Connector到TVS的路径过长会导致路径上的寄生电阻增加,进而增加钳制电压,因此会降低TVS的保护效果。图四为一标准TVS保护系统案例,在此系统中可以看到connector分别有USB、HDMI、VGA及Audio,而其connector后端随即放置有TVS保护组件,connector到TVS路径上并无经过其他电路,因此大大降低ESD能量耦合问题;TVS距离主芯片也有很长一段距离,ESD能量在未到达主芯片时将会有效率地被TVS导引致系统地端(GND)。

图三
 
图四
 
 TVS的钳制电压
 
      由上一段的TVS在系统时的工作原理介绍之中,我们可以了解到当高能量的暂态脉冲经由TVS导引到系统地端时,整个系统会见到的最高电压将会是钳制电压Vclamp (Clamping Voltage),此电压也会落在主芯片上,所以能不能有效保护整个系统主芯片,与你选择的TVS的钳制电压Vclamp有绝对的关系。表二为两个不同的保护组件TVS1与TVS2,应用于相同的计算机主板上的测试结果,而TVS保护的端口是USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)。在经由系统级ESD测试后的结果分别为,使用TVS1的系统在高达3.5kV的系统级ESD脉冲电压的冲击之下,其USB输出入埠仍然可以维持正常的运作。而使用TVS2的USB输出入埠只能承受1.5kV的系统级ESD脉冲电压,无法像TVS1能有效防护USB输出入埠达3.5kV。为了探讨两个不同保护组件,应用于相同的系统却有如此差异的效果,我们去做了两个组件的钳制电压比较图,在图五中可以清楚的看见TVS1的暂态电阻为0.25ohm,而TVS2的暂态电阻却高达0.4ohm,因此在相同的电流下,TVS2的钳制电压远高于TVS1的钳制电压。而由上一段的TVS在系统时的工作原理介绍之中得知,当高能量的暂态脉冲来时,落在主芯片上的电压将会是钳制电压。但TVS2的钳制电压早已超过主芯片的内部电路额定电压,因此TVS2的保护效果远比TVS1还差。因此在选用TVS时,务必要考虑到TVS的钳制电压是否低于整个系统的额定电压。
 
 
图五
 
表二
 
 
钳制电压的量测
 
      TVS保护组件钳制电压的量测方式,是使用传输线触波产生器(Transmission Line Pulsing system,TLP)。使用TLP系统可以量测出TVS保护组件在短时间、高电压电磁波触发的情况下的电压-电流特性曲线(I-V Characteristic Curve)。在此短时间指的是奈秒(nano second, ns)等级,而高电压电磁波所触发的电流通常会达到安培(Amoere, A)等级。因此在此短时间、高电压电磁波触发的情况下的电压-电流特性,即在仿真TVS保护组件在ESD发生时的电压-电流响应。图六为TLP系统的概略示意图,TLP系统会在TVS上施以短时间、高电压电磁波。TLP系统每施加在TVS上一次,便会去量测TVS所反应出来的电流-电压表现,因此每一个TLP的短时间、高电压电磁波便会对应一个TVS电流-电压的点。如图六所示,A波就会得到A点,B波就会得到B点,一系列的短时间、高电压电磁波便可得到完整的TVS电压-电流特性图。因此,使用TLP系统来量测TVS保护组件时,从量测到的电压-电流特性图便可以预测在ESD脉冲电压冲击的下,TVS的触发电压(Trigger Voltage)及钳制电压。TVS的触发电压越低表示其导通速度越快。而TVS的钳制电压越低,则代表其对于系统主芯片的保护效果越好。因此透过TLP系统的量测,可以得知TVS的钳制电压,进而判断TVS是否能够符合有效的保护系统免于各种高能量的暂态脉冲破坏。由以上所述可知,TVS的TLP电压-电流特性图为选取保护组件时的重要依据。
 
 
图六
 
TVS峰值脉冲功率(Peak Pulse Power)的迷思
 
在此还要介绍TVS的几个中要参数
1. 最大峰值脉冲电流Ipp(Peak Pulse Current):此电流为TVS保护组件在高能量的暂态脉冲时,所能承受最大的电流值
2. 最大峰值脉冲功率Ppp(Peak Pulse Power) : 此电流为TVS保护组件在高能量的暂态脉冲时,所能承受最大功率
 
      通常最大峰值脉冲功率的计算方式是P = Ipp X Vclamp,由此公式可以看到三个TVS的重要参数最大峰值脉冲功率、最大峰值脉冲电流及钳制电压。以往厂商都会建议使用者第一优先考虑TVS的最大峰值脉冲功率,来选择所使用的保护组件。这样就会产生一个迷思,我们将用图七及表三来说明此迷思,图七为两个TVS组件的TLP电压-电流特性图,分别为TVS1与TVS2。而表三为则为两这两个组件的三个重要参数最大峰值脉冲功率、最大峰值脉冲电流及钳制电压整理表。由表三可以清楚的看到,假使最大峰值脉冲电流都是一样,TVS2在最大峰值脉冲功率上明显大胜TVS1,因此以往厂商会大力推荐TVS2保护组件。但回头看图七可以发现,TVS2的钳制电压在高电流时早已超过系统内部的额定电压。因此如果以最大峰值脉冲功率参数去选择TVS保护组件,有可能会选到无法有效保护系统的TVS2,但是若以参数钳制电压来做为选择TVS保护组件的依据,则会选到TVS1,由前面所介绍的测试结果可以很明显的看出,纵然TVS1的最大峰值脉冲功率远低于TVS2,但是TVS1对于系统的保护效果却远高于TVS2。因此在选择TVS保护组件时,首要的参数还是要考虑钳制电压Vclamp。
 
表三
 

 

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