TVS
瞬态干扰
瞬态干扰指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成控制系统的电源电压的波动；当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上，使输入控制系统的电压超过系统内部器件的极限电压时，便会损坏控制系统内部的设备，因此必须采用抑制措施。
硅瞬变吸收二极管
硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管，是箝位型的干扰吸收器件；其应用是与被保护设备并联使用。
TVS管有单方向(单个二极管)和双方向(两个背对背连接的二极管)两种，它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右，以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压，使TVS漏电流影响电路正常工作；也避免因环境温度变化导致TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。
TVS管有多种封装形式，如轴向引线产品可用在电源馈线上；双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、I/O总线及数据总线的保护。
TVS的特性
TVS的电路符号和普通的稳压管相同。其电压-电流特性曲线如图1所示。其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流-时间和电压-时间曲线。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的{zd0}箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，{zh1}恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10~12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。
TVS的主要参数
{zd0}反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS{zd0}连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其{zd0}反向漏电流ID。最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。
{zd0}箝位电压VC和{zd0}峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的{zd0}峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。
电容量C。电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。
{zd0}峰值脉冲功耗PM。PM是TVS能承受的{zd0}峰值脉冲功率耗散值。在给定的{zd0}箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。
箝位时间TC。TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12s；对双极性TVS小于10×10-12s。
TVS的分类
TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。
TVS的选用
确定被保护电路的{zd0}直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和{zd0}可承受电压。
TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的{zd0}工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。
TVS的{zd0}反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
在规定的脉冲持续时间内，TVS的{zd0}峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了{zd0}箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS的{zd0}峰值脉冲功率是以10/1000ms的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。如某600WTVS，对1000ms脉宽{zd0}吸收功率为600W，但是对50ms脉宽吸收功率就可达到2100W，而对10ms的脉宽{zd0}吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关：如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％，若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％。
平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明，在一功率开关电路中会产生120Hz，宽度为4ms，峰值电流为25A的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到11.2V。此中平均稳态功率的计算为：脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积，即 280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是说，选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。
对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。
根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。
温度考虑瞬态电压抑制器可以在－55℃~＋150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。
TVS管在使用中应注意的事项
对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值)，而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。
对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这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。
对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
降额使用
作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。
TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。
结语：各种电子系统及通信网络等，经常会受到外来的电磁干扰，这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。对这些问题，要做好全面的预防保护措施，设计选用合适的硅瞬变吸收二极管是解决瞬态干扰的良好方案。但随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不断提高的电子产品，设计提供完整的电路保护解决方案，将形成电路保护技术的又一次革命。
文章作者简介：周志敏
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举例说明
传导干扰和信号滤波与隔离
CANsmc系统正常工作时，产生较大传导性干扰的环节有：开关电源、伺服驱动器、I/O控制设备等。而危害更大的干扰则是瞬态干扰，它的特点是时间短、幅值大、功率小。瞬态干扰的形式有：电机状态改变时产生的电快速脉冲群干扰、雷电或大功率开关在电缆上产生的浪涌、静电放电感应等。传导干扰以共模形式居多，也有部分为差模干扰。
CAN总线电缆是传导干扰传播的一个重要途径，在系统中为保证CAN总线通讯的可靠性而使用的EMC措施有：LC滤波器、瞬态抑制二极管TVS(Transient
Voltage Suppressor)、光电隔离等。具体电路如图4所示。
(1)
LC滤波器
在电路板的电缆入口处安装LC滤波器可以滤除CAN总线电缆中传导的各种高频干扰信号。LC滤波器的电容并联在CAN通讯信号线和信号地线之间，滤除高频差模干扰的电容，也称为旁路电容。电感串联在信号线上，扼制共模干扰电流。使用共模扼流圈则可以避免电感在流过较大电流时发生饱和，导致电感量下降。所有的信号线都要安装滤波器，否则整体性能会大大下降。
LC滤波器中电感量和电容量的选择对滤波器的效果影响很大，如果电容量和电感量选择过小，则效果不明显，如果选择过大，会使工频信号衰减，引起信号失真。在应用中，CAN总线{zg}波特率为1Mbps，所以电容器的电容值选用1000pF，电感选用10μH的铁氧体磁珠。
(2) 瞬态抑制二极管TVS
瞬态抑制二极管并联在信号线和信号地线之间，用来保护电缆受到雷击或静电放电时产生的浪涌高压。当TVS上的电压超过一定的幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将电压的幅度限制在一定的范围内。图4中，每个信号线都使用了两个TVS管BZX84C33进行双向保护，它的额定工作电压为33V。
(3) 光电隔离
光电隔离是解决传导干扰问题的理想方法，它具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。选择光耦合器件时需要考虑两个参数：传输延时(Propagation
Delay)和共模抑制CMR(Common Mode
Rejection)，在传输延时满足数据通讯波特率的情况下尽量选择共模抑制能力高的型号。衡量光电耦合器共模抑制能力的方法为：输出保持高(低)时可承受的{zd0}共模电压上升(下降)率CMH(CML)。
表1给出了安捷伦公司的三种光耦芯片的传输延时和CMR参数，三种器件的传输延时都小于100μs，可以满足CAN总线通讯{zg}1M波特率的要求。本系统中选用了实际最常用的6N137。
使用光电隔离后，也必须使用电源隔离，系统选用了NME0505TM直流电源隔离器。
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