钳位型防护器件MOV、TVS介绍

海马硬件 2023-11-10 1684

描述

0 前言

本文为EMC小知识学习简笔系列的第四篇，前文EMC小知识学习简笔(三)介绍了数字IC电源、时钟、接口相关的滤波设计。接下来介绍 EMC防护中的主流防护器件，本文首先介绍钳位型防护器件MOV、TVS ，下期为大家带来开关型防护器件GDT、TSS。

下图为MOV、GDT、TSS、TVS的防护特性曲线对比，从图中可以直观地感受到各类型器件的防护差异。

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1 压敏电阻(VDR/MOV)

1.1 压敏电阻说明(MOV、VDR)

压敏电阻是一种对电压敏感，电阻值随电压而变化的阻器，英文名称叫Voltage Dependent Resistor，简写为VDR。它是一种过压保护元件，与电路并联使用，正常电压下相当于一个小电容，当电路出现过高电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，用来保护电子产品或元件免受开关或雷击产生突波的影响。

金属氧化物压敏电阻(MOV)是一种特定类型的压敏电阻，通常由锌氧化物制成，应用广泛。

压敏电阻的尺寸和耐压一般会被明显地标注在本体外壳上，如20D471K代表压敏电阻的直径为20mm，压敏电压为470V。

MOV与TVS的IV曲线比较相似，Vdrm和Vc分别为压敏电阻的压敏电压和最大钳位电压。可以看到MOV的防护速度和钳位值都比较稳定，保护后存在残压。

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1.2 压敏电阻选型

a. 确定电路正常工作电压和压敏电压

根据电路的工作电压通过以下的方式来确定压敏电阻的压敏电压 (Vrwm 击穿电压)，一般情况压敏电压选取为电路最大直流工作电压的1.5倍，在交流状态下还要考虑峰值，计算结果应扩大1.414倍。

压敏电阻导通后的最高电压为Vc，应确保Vc及残压低于后级电路耐压;

b. 确定被保护电路的防护量级和通流量

根据防护量级确定压敏电阻通流量，一般要求最大通流量为理论计算通流量的2倍以上，以便增加器件的使用寿命，即:Imax≥I工作*2。

以下为一些测试工况的计算示例：

1kV电源差模防护：测试回路内阻为2R，计算回路电流为I =V /R =500A，器件通流量选择要求Imax>l*2=1000A;

4kV电源共模防护：测试回路内阻为12R，计算回路电流为333A，器件通流量选择要求lmax>I*2=660A;

1kV信号共模防护：测试回路内阻为42R，计算回路电流为25A，器件通流量选择要求Imax>I工作*2=50A.

c. 确定压敏电阻两端的结电容

结电容值以不影响被防护电路的正常工作为准，MOV的寄生电容很大，一般在nF或几十nF级别，下图是不同信号电路的推荐结电容范围。

电源电路：如果是加在线-线之间，结电容可以不用关注，如果是加在线对地之间，那么需要考虑漏电流对于产品安全的影响:

信号电路：防护器件的结电容需要根据保护电路信号速率来定，高速信号线上尽可能的选择结电容小的器件，以免影响电路的正常工作。

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d. 注意事项

一般不建议压敏电阻并联使用(分流不均)。

压敏电阻的失效模式为短路起火，当应用到电源电路时，应在前端加装保险丝，以防止能量超过额定能量后击穿短路，无法恢复。

当压敏电阻用于电源口线-地共模防护时，需要在线地之间增加保险丝，防止器件失效导致电源对地短路，或配合气体放电管使用(防止MOV残压以及MOV失效时的对地短路)。

1.3 压敏电阻实测及应用案例

实测MOV的钳位电压，还是比较准确的，曲线也和理论值比较符合。

MOV老化之后，容易起火失效(老化主要是多次工作后漏电流等增加导致的，同时工频电压一直存在)，MOV的失效模式是短路，所以一般应用要串保险丝或者气体放电管。

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MOV钳位电压实测MOV失效起火

压敏电阻在AC和DC电源中可以用于差模和共模防雷。下图是两个应用案例。AC220V一般使用471耐压规格，DC48V一般使用101规格。

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AC电源压敏电阻应用电路DCD电源压敏电阻应用电路

2 瞬态抑制二极管(TVS)

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2.1 TVS器件说明

瞬态电压抑制器(TVS Transient Voltage Suppressor)的工作类似于普通的稳压管，基于半导体硅材料，通过功率半导体工艺加工而成，属于钳位型防护器件，与被保护设备并联使用。

瞬态电压抑制器(TVS)具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。TVS 可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压以及感应雷所产生的过电压，一般用于比较精细的场景(ESD、浪涌)。

TVS能够处理的电压范围一般在3V-550V，Ipp在几A~几百A(10/1000us)。

TVS的关键参数：

Vr/Vrwm/Vdrm：TVS的反向截止电压/可重复承受电压/最大额定直流电压，TVS的型号名一般对应这个电压值。

Vbr：TVS击穿电压，阻抗开始突然降低，进入雪崩状态。

Vc：抑制电压/钳位电压，当 TVS 管承受高能量冲击时，管子中流过大电流峰值为lpp，端电压由 Vr 上升到 Vc 值就不再上升了，从而实现了保护作用。

It：Vrwm的测试电流，一般为1mA，Ir一般对应1uA(存疑)。

Ipp：瞬态峰值电流，允许流过的最大浪涌电流，反映了TVS的浪涌承受能。

Ppp：峰值功率，一般是Vc和Ipp相乘。

Cj：结电容，数据一般是在1MHz下测试的，TVS的结电容一般偏大。

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2.2 TVS选型

根据保护电路工作电压，确定器件反向关断电压

明确防护电路的最大工作电压，反向关断电压应该大于等于保护电路最大工作电压，即：Vrwm > V_工作(交流需要*1.414)。

根据防护技术需求，确定 TVS 管钳位电压和功率参数

TVS的最大钳位电压 Vcmax => (1.5~2.0)Vrwm，一般反向关断电压和通流量 lpp 确定后，TVS 管需要满足的最小峰值功率Pw => Vcmaxlpp=(1.5~2.0)*Vrwm*lpp。

如果需要保留功率较大的降额，在满足防护要求的情况下，增加 TVS 管器件功率值，以达到更大的防护性能。注意测试条件的持续时间，如果规格书与测试条件不一致，需要在表格中查找对应测试时间的Ipp或Ppp。

对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻或PTC ，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，就有可能选用峰值功率较小的 TVS 管来对小电流负载线路进行保护。

根据防护电路工作频率确定 TVS 管结电容

根据防护电路工作频率确定 TVS 管结电容 (信号接口考虑)，要注意 TVS 管结电容的累积效应。

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4.注意事项

TVS用于信号口静电防护设计时，在满足功能要求的情况下，针对 TVS 管功率无要求，基本上所有 TVS 管都可以满足静电抗扰度最高等级 (空气放电 15kV，接触放电8kV) 测试要求。

要防止电源和负载正常的波动导致TVS误动作。

由于 TVS 管通流量有限，因此 TVS 管一般情况下不单独用于电源口的浪涌防护设计。

2.3 测试及案例

下图是针对TVS SMDJ58CA的测试示意，可以看到VBR、VC、IPP均符合要求。

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应用案例1：DC的电源接口防护

DC28V供电，过浪涌等级1-对应开路电压500V。

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a. 确定标准和功率要求。

需要满足浪涌抗扰度标准 IEC 61000-4-5 标准等级 1 ，根据浪涌设备(组合波发生器)的机理，差模测试其内部匹配电阻一般为2R，也就是说500V开路电压对应250A短路电流。由于发生器和EUT之间通过18uF电容耦合，导致开路电压和短路电流的持续时间不同，一般为1.2/50μs开路电压，8/20μs短路电流，两者是同一个测试条件

b. TVS电压选型

稳态工作电压要大于输入额定的28V，28V*1.2倍=33.6V，可以选择36V。

c. 脉冲电流和峰值功率计算

标准要求的 1.2/50us 波形条件下测试电流 lpp: 250A，转换为测试峰值功率 P=lpp 测试*Vc=250A*58=14500(W) =14.5 (Kw)。

d. 对照规格书

查找符合上述条件的器件规格书，找到一款器件型号：5.0SMDJ36 符合要求且考虑到一定的降额设计 80%。一般规格书可能会给10/1000us的数据，可以根据表格找对应1.2/50us的。

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