Littelfuse TVS二极管的选型计算

描述

说起Littelfuse TVS二极管,可谓历史悠久,是Littelfuse最具特色与核心价值产品之一,目前出货量排名全球首位。Littelfuse TVS二极管家族十分庞大,覆盖小功率到大功率的产品,用于保护半导体器件免受高电压瞬变损害,广泛应用于通讯设备、汽车电子、航空设备等市场,其性能在业内出类拔萃,可圈可点。

以下是Littelfuse应用工程师在长期与客户合作中积累的一些TVS选型问题,通过潜心梳理汇总的相关经验, 呈现如下,以飨读者,快来看看吧!

首先,在TVS选型前需要先确定一些条件。这一步其实很重要,因为这些条件如果无法确定或者不够准确,那么TVS选型的结果是会大打折扣的。正所谓,工欲善其事,必先利其器!

让我们以下面这个案子为例,看看在初始设计阶段,如何通过计算来选择一款合适的TVS。

半导体

1. 输入电压:Vin=24 VDC 2. 浪涌的内阻:Rs=10 Ω 3. TVS后级芯片的最大耐压:Vmax=60 VDC 4. 最高环境温度:Tamb=105℃ 5. 浪涌电压的最大值:Vp=200 VDC 6. 浪涌电压的持续时间:td=8 ms

以上就是目前我们所有的已知信息,下面就让我们开始TVS的选型吧!

TVS的选型

1. Vin=24 VDC 考虑±10%的电压波动,Vin(max)=24 × 1.1=26.4 V,所以TVS的VRWM>26.4 V;

2. 因为后级被保护芯片的Vmax=60 VDC,同样考虑10%的余量Vmax=60 × 0.9=54 VDC,所以TVS的Vcl<54 V;

3. 按照第2点的结果,可以通过下面的公式计算得到Ipp,Ipp=(Vp-Vcl)/Rs=(200-54)/10=14.6 A,所以TVS的Ipp>14.6 A;

4. 最后,再计算一下Ppp,Ppp = Vcl x Ipp = 54 ×14.6 = 788.4 W,所以TVS的Ppp>788.4 W。

其实,如果只是比较粗略的计算,那么到这里,你已经可以根据VRWM,Vcl,Ipp,Ppp这几个参数去选择一款合适的TVS了。比如SMCJ28A系列:

半导体

看上去一切都很符合,不是吗?

那么接下来,让我们更精益求精一些,对Ppp我们需要做两方面的校正。

1. 首先,需要做温度的校正。TVS规格书中Ppp参数的条件是@25℃,而我们计算得到的Ppp=788.4 W@105℃。所以,我们需要把这个值校正到25℃。参考下图,105℃时的derating=70%,那么Ppp=788.4/0.7=1126 W@25℃。

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2. 接下来,我们来做波形的校正。TVS中的Ppp参数是用10/1000μs的波形来测试的,tr=10 μs,td=1000 μs(浪涌电流最大值下降到50%时的时间),这显然和我们td=8 ms的浪涌波形有比较大的区别, 所以我们同样需要进行校正。

这里如果需要精确的计算,需要知道浪涌波形详细的形状,并且推导出电流随时间变化的函数,然后再通过积分算出td。这整个过程会非常非常的复杂,并且有可能你都无法算出最终的结果。所以,这里我推荐一个比较简便的方法。下图绿色波形是10/1000 μs的浪涌电流波形,我们把它等效成红色的直角三角形。那么我们可以很容易得到Ipp下降到最大值的50%时,td就是整个波形宽度的1/2。

半导体

所以,我们把这个方法套用到最开始已知的浪涌波形中,可以得到td=1/2x8=4 ms。

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综上所述,我们通过校正后可以得到实际浪涌波形的Ppp=1126 W@25C@td=4 ms。

让我们再回去看之前选的那颗SMCJ28A的规格书,你可以找到如下的Ppp vs td的曲线图,Ppp=800 W@td=4 ms。这里我们可以发现,经过校正之后SMCJ28A的Ppp无法满足选型的要求,太小了!

半导体

那我们该怎么办呢?很简单,选更大Ppp的TVS呗!下面是SMDJ28A的Ppp vs td曲线图,Ppp=1500 W@td=4 ms,可以满足选型要求。

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最终,我们的TVS选型结果如下:

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以上总结肯定还有遗漏或者考虑不全面的地方,会继续在更多的合作中探索与学习, 不断改进和提升。

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