郑军奇

    摘要：TVS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。在信号端口的浪涌保护设计中，TVS常常与电阻配合一起使用，以提高浪涌保护的效果。本文从试验结果的基础上，加以理论解释来说明TVS管与电阻相对位置不同对接口防浪涌性能影响？
　关键词： EMC、浪涌、设计、电阻、TVS 、接口

1、TVS管功能的介绍
TVS是一种限压保护器件，它的电路符号与普通稳压二极管相同。它的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。 在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流，由原来的反向漏电流，变为反向击穿电流，其两极呈现的电压由额定反向关断电压上升到击穿电压，TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下。而后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态。这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整个过程。

图1 TVS管原理图

   它的主要参数有：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nF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PCB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，可以获得比压敏电阻低50％以上的残压。TVS管也可以与二极管串联（图1中(c)(d)所示），利用二极管寄生电容较小的特点来降低总寄生电容，可以实现对高速信号端口的保护。
    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，所选TVS的反向击穿电压应当约等于(1.8~2)Udc，式中Udc为回路中的直流工作电压。在信号回路中时，所选TVS的反向击穿电压应当约等于(1.2~1.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。
2、试验方案的设计
    为了确定TVS管与电阻相对位置不同对接口防浪涌性能影响,选取某一产品的485端口作为试验对象.在该产品中中共选取了DBUS1D+、DBUS1D-、DBUS2D+、DBUS2D-、CLK2M+、CLK2M-、CLK8K+、CLK8K- 和CFN+、CFN-、BFN+、BFN-、OBCLK+、OBCLK-、FCLK+、FCLK- 等共十六个信号，其中，前八个信号为第一组，图2是第一组电路原理，从图中可以看到TVS管与电阻的相对位置关系，其中TVS管靠近芯片放置。

图 2、第一组电路原理

    后八个信号为第二组，图3是第二组电路原理，从图中可以看到TVS管与电阻的相对位置关系，其中电阻靠近芯片放置。

图 3 第二组电路原理

    测试设备连接示意图如图4所示：

图4 测试设备连接示意图

测试步骤：
(1) 先用示波器测出并记录正常情况下的485接口工作信号波形；
(2) 将浪涌发生器设置为连续10次（正负各五次）输出1.2/50us的标准浪涌电压为一组测试，间隔60秒；
(3) 测试每组浪涌电压冲击后的485接口工作信号波形，并与正常的信号波形进行比较；
(4) 比较的结果如果一致，则提高浪涌电压继续测试，重复3，直至信号失真，记录下此时施加的浪涌电压值。
3 、测试结果

（1）第一组信号的测试数据见表1：

表 1第一组信号的测试数据
测试信号 测试电压 测试现象 测试结果
DBUS1D+ +500V 打火 损坏
DBUS1D- +200V 无 OK
-200V 无 OK
+300V 无 OK
-300V 打火 损坏
DBUS2D+ +200V 无 OK
-200V 无 OK
+240V 无 OK
-240V 无 OK
+260V 无 OK
-260V 无 OK
+280V 打火 损坏
DBUS2D- +200V 无 OK
-200V 无 OK
+240V 无 OK
-240V 无 OK
+260V 无 OK
-260V 打火 损坏
CLK2M+ +200V 无 OK
-200V 无 OK
+240V 无 OK
-240V 无 OK
+260V 无 OK
-260V 无 OK
+280V 打火 损坏
CLK2M- +200V 无 OK
-200V 无 OK
+240V 无 OK
-240V 无 OK
+260V 打火 损坏
CLK8K+ +200V 无 OK
-200V 无 OK
+240V 无 OK
-240V 无 OK
+260V 无 OK
-260V 无 OK
+280V 无 OK
-280V 无 OK
+300V 打火 损坏
CLK8K- +240V 无无 OK
-240V 无 OK
+260V 无 OK
-260V 无 OK
+280V 无 OK
-280V 无 OK
+300V 打火 损坏


（2）第二组信号的测试数据见表2：
表 2 第二组测试数据
测试信号 测试电压 测试现象 测试结果
CFN+ +160V 无 OK
-160V 无 OK
+180V 无 OK
-180V 无 OK
+200V 无 OK
-200V 无 OK
+220V 无 OK
-220V 无 OK
+240V 无 OK
-240V 无 OK
+260V 无 OK
-260V 无 OK
+280V 无 OK
-280V 无 OK
+300V 无 OK
-300V 无 OK
+320V 无 OK
-320V 无 OK
+340V 无 OK
-340V 无 OK
+380V 无 OK
-380V 无 OK
+420V 无 OK
-420V 无 OK
+460V 无 OK
-460V 无 OK
+500V 无 OK
-500V 无 OK
+540V 无 OK
-540V 无 OK
+600V 无 OK
-600V 无 OK
+660V 无 OK
-660V 无 OK
+720V 无 OK
-720V 无 OK
+800V 无 OK
-800V 无 OK
+900V 无 OK
-900V 无 OK
+1000V 无 OK
-1000V 无 OK
+1100V 无 OK
-1100V 无 OK
+1200V 无 OK
-1200V 无 OK
+1400V 无 OK
-1400V 无 OK
+1600V 无 OK
-1600V 无 OK
+1800V 无 OK
-1800V 无 OK
+2000V 无 OK
-2000V 无 OK
+2200V 无 OK
-2200V 无 OK
+2400V 无 OK
-2400V 无 OK
+2800V 无 损坏
CFN- +2500V 无 OK
-2500V 无 OK
+2600V 无 OK
-2600V 无 OK
+2700V 无 OK
-2700V 无 损坏
BFN+ +2500V 无 OK
-2500V 无 OK
+2600V 无 OK
-2600V 无 OK
+2700V 无 OK
-2700V 无 OK
+2800V 无 OK
-2800V 无 损坏
BFN- +2600V 无 OK
-2600V 无 OK
+2700V 无 OK
-2700V 无 OK
+2800V 无 OK
-2800V 无 OK
+2900V 无 损坏
FCLK+ +2600V 无 OK
-2600V 无 OK
+2700V 无 OK
-2700V 无 损坏
FCLK- +2600V 无 OK
-2600V 无 OK
+2700V 无 OK
-2700V 无 损坏
OBCLK+ +2600V 无 OK
-2600V 无 OK
+2700V 无 损坏
4、理论分析
    由上面的测试数据可以看出，第一组信号接口的抗浪涌电压能力比第二组信号接口要差很多。 测量分析实验后的单板，发现第一组信号接口失效是由于33欧电阻损坏造成的，TVS管并没有损坏；而第二组信号接口失效则是由于TVS管击穿短路造成的，电阻并没有损坏。由此可以得出测试结论：电阻靠近芯片放置，而TVS管靠近接口放置时的防护能力较强。
    从理论上看,也比较容易理解,在图5所示的情况下,TVS动作的时候I=I1+I2, I>I1在R上会流过比TVS中更大的电流,虽然这种情况下被保护电路在一定程度上得到保护,但电阻R1却经不起大电流的考验而损坏,结果同样造成接口故障,系统故障。在图6所示的情况下,TVS动作保护有效时,TVS的阻抗很低,大部分电流I1从TVS管中流过,而在R中流过的电流I2远远小于I1更小于I，虽然这种情况下TVS要经受比图5情况更大的电流，但是TVS管与电阻相比更能经受得起大电流。这也就是试验中第一组信号接口更容易失效的原因。但是值得一提的事情，如果将电阻R的功率加大到足够大，图 5 所示的电路也能取得很好的防浪涌效果。

图 5电阻在TVS管外的电路原理图

图 6 电阻在TVS内的电路原理

5、思考与启示

    电阻可以作为保护器件来抑制浪涌电流，起到限流的作用，通常串联在信号电路中。在信号线路中，电阻的使用应注意：电阻的功率应足够大，避免过电流作用下电阻发生损坏。对于以上两种（图5和图6所示）原理的浪涌保护电路，如果不考虑电阻功率的因素，可以用分压原理和阻抗失配的原理解释哪种电路更适合被保护的对象。这取决于被保护电路的输入阻抗，如果，被保护电路的输入阻抗较高（R1>>R），适合采用图5所示的保护电路，因为此时R与R1的串联并不能给限流或分压有多大的共享，并且TVS管在有效时总是以低阻的形式出现的，所以限流电阻按图5所示的连接方式连接，才能取得更好限流作用；如果，被保护电路的输入阻抗较低（R1与R相当或更小），适合采用图6所示的保护电路，因为此时， R将对TVS后一级的浪涌电压进一步分压，大大降低被保护电路两端的浪涌电压。

6、结束语
    在PCB板中设计接口防浪涌电路时，若想通过串联电阻来降低浪涌的冲击电流，一定要考虑电阻的功率，如果功率不够建议将电阻靠近芯片放置，而TVS管靠近接口放置，按图6所示原理 。

参考文献：
1. 郑军奇 “EMC设计与测试案例分析” 电子工业出版社 2006 12；
2. IEC 61000-4-5 “Immunity requirements and test methods for equipment subjected repetitive surge” 1995