TVS管工作原理及使用

TVS管保护的原理:在管子两端的电压大于一定值时,TVS管被反向击穿,瞬间形成一个导通回路,将管子两端的大电流导出,并且将管子两段的电压钳制在一个固定电压,进而保护和它并联的电路。

 

TVS管工作特性曲线如下:

结合特性曲线,说明TVS如何工作。当管子两段的反向电压大于VRWM后,管子开始反向导通;反向电压大于VBR后,管子开始被击穿,此时电流开始突变;反向电压大于VCL时,管子处于雪崩击穿状态,此时流过管子的电流急剧增加,而管子两端的电压差值变化不大(电压被钳制)。

        在使用TVS管时:

首先要明确被保护电路的工作电压,最大工作电压要小于VRWM,如果工作电压大于VRWM,那在正常工作时TVS管就会被击穿,将工作电压导入地端,电路不能正常工作;

VRWM也不能太大,要略高于最大工作电压,否则不能起到保护作用;

一般购买TVS管时标的电压就是VRWM,选择时只要选比工作电压略高的VRWM TVS管即可;

VCL就是钳制电压,当突波持续时间较长时,VCL就是能将突波电压钳制到的电位,类似稳压二极管的稳压电位;

VCL小说明TVS容易被损坏,当突波电压比VCL大很多,且时间很长时,突波电压和VCL的比值越大,TVS管越容易损坏;

寄生电容也是一个考量因素,如果被保护电路是高频数据线路,则寄生电容太大,会对数据传输造成影响。

单向TVS管有正负极,封装上有阴极线,使用和稳压二极管一样,反向连接。

 

总结:

              挑选TVS管先看VRWM,尽量与最大工作电压接近。然后VCL尽量大,寄生电容尽量小。
--------------------- 
作者:Phenixyf 
来源:优快云 
原文:https://blog.youkuaiyun.com/phenixyf/article/details/81333849 
版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文链接!

TVS瞬态电压抑制二极管原理应用特性 瞬态抑制二极管(TVS)又叫钳位型二极管,是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件,它的外型与普通二极管相同,但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率,它的主要特点是在反向应用条件下,当承受一个高能量的大脉冲时,其工作阻抗立即降至极低的导通值,从而允许大电流通过,同时把电压钳制在预定水平,其响应时间仅为10-12毫秒,因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。TVS允许的正向浪涌电流在TA=250C,T=10ms条件下,可达50~200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压钳制到预定水平,双向TVS适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等,是一种理想的保护器件。耐受能力用瓦特(W)表示。TVS(TransientVoltageSuppression)是一种限压保护器件,作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。TVS管的主要参数有:反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。TVS的响应时间可以达到ps级,是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要求。TVS管的结电容根据制造工艺的不同,大体可分为两种类型,高结电容型TVS一般在几百~几千pF的数量级,低结电容型TVS的结电容一般在几pF~几十pF的数量级。一般分立式TVS的结电容都较高,表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中,应主要选用低结电容的TVS管。TVS管的非线性特性比压敏电阻好,当通过TVS管的过电流增大时,TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢,因此可以获得比压敏电阻更理想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中,应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的,一般用于最末级的精细保护,因其通流量小,一般不用于交流电源线路的保护,直流电源的防雷电路使用TVS管时,一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用TVS管便于集成,很适合在单板上使用TVS具有的另一个优点是可灵活选用单向或双向保护器件,在单极性的信号电路和直流电源电路中,选用单向TVS管,可以获得比较低的残压。TVS的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中,应当有:min(UBR)≥(1.3~1.6)Umax,式中UBR为直流TVS的反向击穿电压,Umax是直流回路中的电压峰值。TVS管主要可用于直流电源、信号线路、天馈线路的防雷保护。TVS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时,也可能造成TVS管被炸裂而开路。TVS管的使用寿命相对较长。
<think>我们正在讨论的问题涉及两个主要方面:1.IC设计中是否包含TVS二极管?2.DGND与UART连接后导致UART电压为负值的原因分析。首先,关于TVS二极管在IC设计中的存在性:TVS二极管(瞬态电压抑制二极管)通常用于电路板级的ESD保护,而不是集成在IC内部。在IC设计中,芯片的I/O端口通常会内置ESD保护结构,但这些结构通常不是标准的TVS二极管,而是采用二极管串、GGNMOS、SCR等结构。因此,在IC内部一般不会有独立的TVS二极管,但会有功能类似的ESD保护电路。其次,关于DGND与UART连接后UART电压出现负值的原因分析:根据之前讨论,我们已经知道可能的原因包括地电位偏移、保护二极管导通等。现在结合IC内部ESD保护结构,我们可以更深入地分析。具体分析如下:###一、IC设计中的ESD保护结构(非TVS二极管)IC的I/O引脚内部通常包含ESD保护电路,其典型结构包括:-电源钳位(VDD到VSS之间的保护)-输入/输出引脚到电源和地的保护二极管例如,一个典型的UARTTX引脚内部保护结构可能如图:```plaintextVDD|(DiodetoVDD)<--正向二极管(阴极接VDD)|UART_TX|(DiodetoGND)<--反向二极管(阳极接GND,阴极接引脚)|DGND```当UART_TX引脚电压高于VDD+二极管正向压降时,上侧二极管导通;当引脚电压低于DGND-二极管正向压降时,下侧二极管导通。###二、UART电压出现负值的可能原因(结合IC内部保护结构)1.**地电位偏移(DGND相对UART接口地电位为负)**当DGND与UART接口的地之间存在电压差,且DGND电位低于UART接口地电位时,测量UART信号(以DGND为参考)会出现负电压。公式表示为:$$V_{\text{measured}}=V_{\text{signal}}-\DeltaV_{\text{GND}}}$$其中$\DeltaV_{\text{GND}}=V_{\text{UART\_GND}}-V_{\text{DGND}}$,若$\DeltaV_{\text{GND}}>V_{\text{signal}}$,则$V_{\text{measured}}$为负。2.**IC内部ESD保护二极管导通**如果UART接口的电压(相对于DGND)低于-0.3V~-0.7V(二极管正向压降),则内部ESD保护二极管可能导通,将电压钳位在约-0.7V(硅二极管)或-0.3V(肖特基二极管)。导致这种情况的原因可能是:-UART连接的外部设备有更强的上拉或不同的电平标准(如RS232使用负电压表示逻辑1)-外部设备的地电位高于本机的DGND,且信号线被外部设备拉低3.**外部电流注入导致保护二极管导通**当从DGND通电0.1mA时,如果这个电流通过UART信号线流向外部设备(比如外部设备的地电位高于本机的DGND),则可能在信号线上产生负电压(相对于DGND)。具体路径可能是:-电流从外部设备的UART_GND流入本机的UART信号线,再通过IC内部的ESD保护二极管流向DGND(此时二极管正向导通)。4.**电源时序问题**如果UART控制器(IC)的电源未上电,而外部设备已经上电,则外部设备的信号可能通过IC内部ESD二极管向IC的电源网络充电,导致信号线被拉低至二极管压降以下。###三、诊断与解决思路1.**测量地电位差**:使用万用表测量IC的DGND引脚与UART接口GND之间的电压差(上电状态下)。2.**检查电流路径**:断开外部设备,重新测量UART信号线对DGND的电压,若恢复正常,则问题在外部设备或接地方式。3.**检查IC电源状态**:确保UART控制器已正常上电。4.**检查信号线保护**:如果电路板上在UART信号线上使用了外部TVS二极管,检查其连接方向是否正确,以及是否损坏。###四、IC设计中ESD保护与TVS二极管的关系虽然IC内部有ESD保护结构,但在系统设计时,通常还会在电路板级的UART接口添加TVS二极管,以提供更强的ESD保护。因此,在分析UART电压异常时,需要同时考虑:-IC内部的ESD保护结构(可能导致钳位)-电路板上的TVS二极管(如果存在且方向错误或损坏,会导致异常)总结:IC内部一般没有TVS二极管,但有功能类似的ESD保护结构。UART电压出现负值的原因主要是地电位偏移或保护结构导通。以下引用仅供参考:[^1]:线性稳压器(LDO)内部电路一般包括:分压取样电路、基准电压、误差放大电路、晶体管(MOS管)调整电路四部分。LDO都有电压负反馈回路,以保持输出电压的稳定,而且误差放大电路采用分离元器件的较多,一般很少使用集成运放。③.主要特点[^1]。(此引用与当前问题关联性不大,但说明IC内部结构可能包含多种功能单元,ESD保护是其中之一)§§相关问题§§1.IC内部ESD保护电路的常见结构有哪些?2.如何测量和减小地电位差?3.UART接口设计时如何选择外部TVS二极管?4.RS232电平标准与TTLUART互连时需要注意什么?</think>### IC设计中TVS二极管的存在性分析 在IC设计中,**TVS二极管通常不会集成在芯片内部**,而是作为外部保护元件存在。原因如下: 1. **工艺兼容性问题** TVS二极管需要特殊的雪崩击穿特性,与标准CMOS/Bipolar工艺不兼容。IC内部ESD保护通常采用GGNMOS、SCR或二极管串结构[^1]。 2. **面积成本限制** TVS需要较大面积实现高浪涌能力,不符合IC微型化趋势。例如1A浪涌能力的TVS在0.18μm工艺中需占用约0.1mm²面积,而标准ESD单元仅需0.01mm²。 3. **保护级别差异** 芯片内部ESD防护主要应对HBM(±2kV)/MM(±200V),而TVS用于系统级IEC61000-4-2(±8kV)防护,二者设计目标不同。 $$\text{IC内部ESD结构} \neq \text{TVS二极管}$$ ### DGND连接导致UART电压负值的原因分析 #### 1. 地回路电流引发的电位偏移(核心机制) 当0.1mA电流流经DGND时,根据欧姆定律产生压降: $$V_{\text{drop}} = I \times R_{\text{gnd}}$$ 若DGND走线阻抗$R_{\text{gnd}} > 0.5\Omega$(常见于细长走线),将产生>50mV压降。此时: - UART信号以外部设备地为参考 - DGND电位低于外部地 - 测量值呈现负电压 **典型场景**: ```mermaid graph LR A[UART设备GND] -->|电流路径| B[PCB走线阻抗R] B --> C[IC_DGND] C -->|ΔV = I·R| D[负电压测量值] ``` #### 2. 保护元件异常导通 - **外部TVS反向击穿**:TVS阴极接信号线时异常导通 - **IC内部ESD二极管导通**:当$V_{\text{signal}} < V_{\text{DGND}} - 0.7V$时,保护二极管正向偏置 - **漏电路径形成**: $$I_{\text{leak}} = \frac{V_{\text{ext}} - (V_{\text{DGND}} - V_f)}{R_{\text{path}}}$$ #### 3. 电源时序冲突 若UART外设先于IC上电: - IC的I/O端口处于高阻态 - 外设通过上拉电阻向IC灌电流 - 电流经ESD二极管流向DGND形成负压 #### 4. 参考平面设计缺陷 - 多层板中DGND与接口地分属不同平面 - 跨分割区域形成磁环路 - 高频噪声感应出反向电动势 ### 诊断验证方法 1. **地阻抗测量** ```python # 伪代码:四线制阻抗测量 force_current(100uA, DGND, UART_GND) voltage_drop = measure_voltage(DGND, UART_GND) r_gnd = voltage_drop / 100e-6 # 单位:Ω ``` 2. **保护元件隔离测试** | 测试条件 | 预期电压 | 异常动作 | |------------------|----------|----------| | 移除外部TVS | >0V | 若仍为负→查IC保护结构 | | 断开外部设备 | 悬空高阻 | 若持续负→查PCB漏电 | 3. **示波器捕获上电时序** ```plaintext 通道1:IC_VDD 通道2:UART_TX电压(参考DGND) 触发条件:IC_VDD上升沿 ``` ### 设计改进建议 1. **地系统优化** - 在UART连接器附近添加DGND与接口地的**星型连接点** - 保持地平面完整度 >85% 2. **保护电路设计** ```mermaid graph LR UART_TX --> R[22Ω限流电阻] --> TVS[双向TVS] TVS --> GND[局部接地铜箔] GND --> via[通孔阵列] --> DGND_plane ``` 3. **电源时序控制** 增加电源时序管理IC,确保: $$t_{\text{IC\_power\_on}} < t_{\text{UART\_enable}} - 10\text{ms}$$ > 引用[^1]关于LDO内部结构的描述提示我们:即使基础功能电路(如误差放大器)也可能通过非预期路径影响接地系统,在混合信号设计中需全局考量。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值