浪涌防护，浪涌抑制器与TVS

在关注半导体器件的稳定性和可靠性时，我们总会说到ESD和浪涌。浪涌包括浪涌电压和浪涌电流，是一种上升速度极快，持续时间很短的尖峰脉冲，能够在瞬间超出器件稳定值的峰值。
 
任何一个供电系统中，浪涌的来源都分为外部和内部。外部原因诸如恶劣天气的雷暴影响，内部原因则多种多样，可能是器件负载的瞬态变化，多数情况下有害的浪涌电压都会来自ESD。不管哪一种原因，电器器件在工作过程中遭遇这种浪涌和电压瞬变，都可能造成器件损坏。如何选择合适的电路保护？这是电路设计中常出现的问题。有源电路通常采用TVS二极管和保险丝。而现在作为取代TVS二极管和保险丝的浪涌抑制器，也开始受到了设计人员的青睐。
 
对抗电压瞬变和浪涌的措施
 
从整个系统的防护措施来说，整机和系统接地是很有必要的，每个子系统也应该有独立的公共端，在子系统之间需要传输数据或者信号时，接地线必须能支持很大的电流，这是其一。在整机和系统中的关键部位，可以通过采用电压瞬变和浪涌防护器件来进行防护。这是我们今天重点关注的器件。
 
传统的可靠保护解决方案，像二极管、保险丝和TVS器件这些虽然能够保持待保护状态，但通常较为低效、而且体积庞大。应运而生的浪涌抑制器能够达到传统方法的保护要求，而且从有些方面来看，它们更加可靠。对于极其重要的系统，我们还可以使用多个电压瞬变和浪涌防护器件的组合以构成多级防护电路确保万无一失。譬如在成本高昂的FPGA和处理器上，电子器件的使用数量不断增加要求对这些运行的器件提供严苛的保护。不仅如此，还需要保护器件体积小巧、可靠性高，能够快速响应过压和过流浪涌事件。
 
防护方法各有优劣
 
传统的输入防护包括TVS二极管、保险丝、电感电容等方式，TVS是利用二极管的雪崩击穿特性来实现防护。TVS可以可以保护下游电路不受电源上的高压尖峰影响，是浪涌保护里很流行的选择，一来它并不复杂，二则是成本很低，能完成短时间内分流高电流浪涌的任务。虽然TVS器件在抑制极高电压偏移方面很有效，但在遭受持续过压时，也不能避免损坏。另一个担心是TVS可能短路，导致输入电源断开。和YVS相关的参数，Stand-off电压、钳位电压、功率这些和温度、电压、脉冲这些因素都息息相关，总的来看因为其击穿点离散性偏大，击穿特性不陡，应用上仍会受到一些限制，而且其较大的封装也是常为人诟病的地方。而机械保险丝的反应速度已经跟不上需求，而且有比较大的器件容差，在防护上已处于下风。电子保险丝精度可以做到不错，但是分立方案较为复杂。
 

（TVS，TI）

 
这么看来，采用MOS管似乎是一种更好的输入防护措施，浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串联N通道MOSFET，因此无需使用繁杂的分流电路。可以充分利用MOS管的线性区来钳位尖峰，利用可变电阻区来抑制电流，从而降低功率。
 
浪涌抑制器有什么门道？
 
根据对过压事件的响应，可以将浪涌抑制器分为三大类，线性浪涌抑制器、栅极箝位、开关浪涌抑制器。线性浪涌抑制器与线性稳压器驱动MOSFET的方式类似，需要对MOSFET实行保护限制其在高耗散区的时间。这往往采用电容故障定时器来实现，定时器电压的变化率随通过MOSFET的电压而变化，保证器件在过压期间平稳度过避免损坏。
 

 

（线性浪涌抑制器，ADI）

 
栅极箝位浪涌抑制器利用内部或外部箝位对栅极引脚的电压进行限制，再由MOSFET决定输出电压。外部栅极箝位会允许更广泛的电压选择范围。开关浪涌抑制器与前述二者有一些很明显的区别，在浪涌事件中，开关浪涌抑制器是通过开关外部MOSFET将输出调节到箝位电压。因此，开关浪涌抑制器更适合于一些更高功率的应用。
 
这种基于IC的有源浪涌抑制器相比TVS二极管无需繁复的设计，也不需要大尺寸的电感电容。整体来看这种防护措施需要的空间会更小巧，其输出电压箝位精度普遍高出了1%至2%，给下游器件的选择更大的空间。
 
小结
 
有很多不同原因会引发电子系统中出现浪涌，必须采用灵活可靠的保护机制来确保下游成本高昂的电子器件的使用寿命。不管是传统的防护措施还是浪涌抑制器，选择防护时要考虑到预期的电源电压和下游电子器件的电压容限，充分了解系统防护要求才是做好浪涌防护的前提。