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TVS最重要的參數-鉗制電壓(Clamping Voltage)2020/07/09

TVS的基本特性

 

      TVS (Transient Voltage Suppressor, 暫態電壓抑制器),是目前使用於保護電子系統免於靜電破壞的電子元件。TVS的符號與Zener Diode一樣,TVS的特點是其操作應用於反向偏壓區。如圖一所示,當電子系統在正常模式操作下,TVS不會有任何動作,系統上的任何訊號傳輸也不會受TVS所影響。當系統遭受到高能量的靜電暫態脈衝時會觸發TVS動作,TVS兩端的阻抗值會在極短時間內由高阻抗值進入低阻抗值,進而把靜電的能量導引到系統的地端(GND),保護系統不受高能量的靜電暫態脈衝破壞。
 
 
TVS元件的基本參數有(圖二與表一)
 
(1) 工作電壓VRWM(Reverse Work Max Voltage):操作在此電壓內的TVS呈現為高阻抗狀態,系統上的任何訊號傳輸將不會受TVS所影響。
(2) 反向漏電流ILeak(Reverse Leakage Current) : TVS元件操作在工作電壓內時的漏電流。
(3) 崩潰電壓VBV(Breakdown Voltage):當TVS元件上的電壓超過VBV,TVS兩端的阻抗值會在極短時間內由高阻抗值進入低阻抗值。
(4) 動態電阻Rd(Dynamic Resistor):當TVS元件上的電壓超過VBV,TVS會進入低阻抗值,而此時的電阻值稱為動態電阻。
(5) 鉗制電壓Vclamp(Clamping Voltage):當TVS受到高能量的靜電暫態脈衝觸發時,TVS會呈現低阻抗狀態來抑制此暫態脈衝的電壓,而此時的電壓稱為鉗制電壓。鉗制電壓將會是暫態脈衝來時,系統上會見到的最高電壓。
 
圖一
 
圖二
 
 
TVS系統上的工作原理
 
      TVS在系統上主要功能為保護電子系統免於高能量的暫態脈衝破壞,如靜電放電ESD(Electrostatic Discharge)、雷擊浪湧Surge、電快速舜態脈衝EFT(Electrical Fast Transient)。TVS通常建議要擺放在connector連接器旁邊,因為通常ESD、Surge及EFT都是經由connector進入系統。如圖三所示,當這些高能量的暫態脈衝經由connector進入系統後會觸發TVS,使TVS立即進入低阻抗狀態,TVS會藉此把暫態脈衝的能量導引至系統的地端(GND),所以TVS若能離connector越近,其保護效果會更好。倘若TVS擺放距離connector太過遙遠,將會有以下幾個問題產生。Connector到TVS路徑如果過長,ESD通過的路徑的鄰近電路都將會耦合到ESD能量,造成其他電路元件的破壞。因此TVS若能離connector越近,會大大降低ESD能量耦合到其他電路的機會。並且Connector到TVS的路徑過長會導致路徑上的寄生電阻增加,進而增加鉗制電壓,因此會降低TVS的保護效果。圖四為一標準TVS保護系統案例,在此系統中可以看到connector分別有USB、HDMI、VGA及Audio,而其connector後端隨即放置有TVS保護元件,connector到TVS路徑上並無經過其他電路,因此大大降低ESD能量耦合問題;TVS距離主晶片也有很長一段距離,ESD能量在未到達主晶片時將會有效率地被TVS導引致系統地端(GND)。
 
圖三
 
圖四
 
 
TVS的鉗制電壓
 
      由上一段的TVS在系統時的工作原理介紹之中,我們可以了解到當高能量的暫態脈衝經由TVS導引到系統地端時,整個系統會見到的最高電壓將會是鉗制電壓Vclamp (Clamping Voltage),此電壓也會落在主晶片上,所以能不能有效保護整個系統主晶片,與你選擇的TVS的鉗制電壓Vclamp有絕對的關係。表二為兩個不同的保護元件TVS1與TVS2,應用於相同的電腦主機板上的測試結果,而TVS保護的端口是USB(Universal Serial Bus,通用序列匯流排)。在經由系統級ESD測試後的結果分別為,使用TVS1的系統在高達3.5kV的系統級ESD脈衝電壓的衝擊之下,其USB輸出入埠仍然可以維持正常的運作。而使用TVS2的USB輸出入埠只能承受1.5kV的系統級ESD脈衝電壓,無法像TVS1能有效防護USB輸出入埠達3.5kV。為了探討兩個不同保護元件,應用於相同的系統卻有如此差異的效果,我們去做了兩個元件的鉗制電壓比較圖,在圖五中可以清楚的看見TVS1的暫態電阻為0.25ohm,而TVS2的暫態電阻卻高達0.4ohm,因此在相同的電流下,TVS2的鉗制電壓遠高於TVS1的鉗制電壓。而由上一段的TVS在系統時的工作原理介紹之中得知,當高能量的暫態脈衝來時,落在主晶片上的電壓將會是鉗制電壓。但TVS2的鉗制電壓早已超過主晶片的內部電路額定電壓,因此TVS2的保護效果遠比TVS1還差。因此在選用TVS時,務必要考慮到TVS的鉗制電壓是否低於整個系統的額定電壓。
 
圖五
 
表二
 
 
鉗制電壓的量測
 
      TVS保護元件鉗制電壓的量測方式,是使用傳輸線觸波產生器(Transmission Line Pulsing system,TLP)。使用TLP系統可以量測出TVS保護元件在短時間、高電壓電磁波觸發的情況下的電壓-電流特性曲線(I-V Characteristic Curve)。在此短時間指的是奈秒(nano second, ns)等級,而高電壓電磁波所觸發的電流通常會達到安培(Amoere, A)等級。因此在此短時間、高電壓電磁波觸發的情況下的電壓-電流特性,即在模擬TVS保護元件在ESD發生時的電壓-電流響應。圖六為TLP系統的概略示意圖,TLP系統會在TVS上施以短時間、高電壓電磁波。TLP系統每施加在TVS上一次,便會去量測TVS所反應出來的電流-電壓表現,因此每一個TLP的短時間、高電壓電磁波便會對應一個TVS電流-電壓的點。如圖六所示,A波就會得到A點,B波就會得到B點,一系列的短時間、高電壓電磁波便可得到完整的TVS電壓-電流特性圖。因此,使用TLP系統來量測TVS保護元件時,從量測到的電壓-電流特性圖便可以預測在ESD脈衝電壓衝擊的下,TVS的觸發電壓(Trigger Voltage)及鉗制電壓。TVS的觸發電壓越低表示其導通速度越快。而TVS的鉗制電壓越低,則代表其對於系統主晶片的保護效果越好。因此透過TLP系統的量測,可以得知TVS的鉗制電壓,進而判斷TVS是否能夠符合有效的保護系統免於各種高能量的暫態脈衝破壞。由以上所述可知,TVS的TLP電壓-電流特性圖為選取保護元件時的重要依據。
 
 
圖六
 
 
TVS峰值脈衝功率(Peak Pulse Power)的迷思
 
在此還要介紹TVS的幾個中要參數
1. 最大峰值脈衝電流Ipp(Peak Pulse Current):此電流為TVS保護元件在高能量的暫態脈衝時,所能承受最大的電流值
2. 最大峰值脈衝功率Ppp(Peak Pulse Power) : 此電流為TVS保護元件在高能量的暫態脈衝時,所能承受最大功率
 
      通常最大峰值脈衝功率的計算方式是P = Ipp X Vclamp,由此公式可以看到三個TVS的重要參數最大峰值脈衝功率、最大峰值脈衝電流及鉗制電壓。以往廠商都會建議使用者第一優先考慮TVS的最大峰值脈衝功率,來選擇所使用的保護元件。這樣就會產生一個迷思,我們將用圖七及表三來說明此迷思,圖七為兩個TVS元件的TLP電壓-電流特性圖,分別為TVS1與TVS2。而表三為則為兩這兩個元件的三個重要參數最大峰值脈衝功率、最大峰值脈衝電流及鉗制電壓整理表。由表三可以清楚的看到,假使最大峰值脈衝電流都是一樣,TVS2在最大峰值脈衝功率上明顯大勝TVS1,因此以往廠商會大力推薦TVS2保護元件。但回頭看圖七可以發現,TVS2的鉗制電壓在高電流時早已超過系統內部的額定電壓。因此如果以最大峰值脈衝功率參數去選擇TVS保護元件,有可能會選到無法有效保護系統的TVS2,但是若以參數鉗制電壓來做為選擇TVS保護元件的依據,則會選到TVS1,由前面所介紹的測試結果可以很明顯的看出,縱然TVS1的最大峰值脈衝功率遠低於TVS2,但是TVS1對於系統的保護效果卻遠高於TVS2。因此在選擇TVS保護元件時,首要的參數還是要考慮鉗制電壓Vclamp。
 
表三
 
圖七

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