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TVS 峰值脉冲功率：是不是越高越好？

2020 年 4 月 15 日

电路保护

One of the most misunderstood ratings for transient voltage suppressor (TVS) diodes is peak pulse power (P_PP). Many engineers will select surge protection components based primarily on rated peak pulse power and assume that their system will be well protected. After all, it seems logical to assume that a higher power rating means the device can absorb higher transient currents and therefore should be superior. While peak pulse power ratings may be considered in the selection process, the device should not be chosen solely on this parameter. To illustrate why, let us review the definition of TVS peak pulse power.

什么是 TVS 峰值脉冲功率？

TVS 二极管的额定峰值脉冲功率是指器件在给定脉冲条件下消耗的瞬时功率，即给定瞬态事件期间在 TVS 结中消耗的功率值。计算公式如下：P_PP = V_C x I_PP ，其中 P_PP =峰值脉冲功率 (W)，V_C = 钳位电压 (V)，I_PP = 峰值脉冲电流 (A)。我们来讲解一下每个参数的含义。

_{图 1：峰值脉冲功率计算}

 

TVS 二极管与受保护的 IC 并联连接（图 2）。在正常工作条件下，TVS 二极管对受保护电路呈高阻抗。在电气过应力 (EOS) 事件期间，一旦电压超过 TVS 击穿电压，器件就会“打开”并变为低阻抗路径，以将瞬态电流分流到接地。该电流被定义为“峰值脉冲电流”。在指定的峰值脉冲电流下，器件两端产生的电压就是钳位电压。钳位电压必须低于受保护 IC 的故障电压。TVS 制造商竭力开发能够降低 TVS 钳位电压并保持高峰值脉冲电流处理能力的技术。

图2：TVS 二极管连接

在继续下面的讲解前，我们有必要知道峰值脉冲电流波形是怎样得来的。在瞬态条件下，TVS 二极管会耗散器件结中的功率。对于给定尺寸的结，TVS 结能够处理高瞬态能量。对于给定的脉冲或脉冲宽度，我们将 P_PP 定义为 I_PP 和 V_C 的乘积。由于能量等于功率乘以时间，因此这可以间接量化器件的能量处理能力。在这种情况下，时间由脉冲持续时间决定。大多数 TVS 二极管的 I_PP 和 P_PP 额定值是使用行业标准的双指数波形定义的，在 IEC 61000-4-5 中最普遍。IEC 61000-4-5 标准电流波形是一个双指数，上升时间为 8µS，衰减为 20µs，即 8/20µs，如图 3 所示。

图 3：双指数波形（摘自 IEC 标准：电磁兼容性 (EMC) – 第 4-5 部分：测试和测量技术 – 抗浪涌测试，IEC 61000-4-5，2014）

我们来看一个实际例子。图 4 所示为峰值脉冲电流与钳位电压 IV 特性图。此例中考虑了 TVS 二极管的三个选项（TVS 1、TVS 2 和 TVS 3）。受保护 IC 的故障电压为 14V，并且根据 IEC61000-4-5，浪涌测试电流为 10A。这意味着为了保护 IC，对于 10A 及以上的峰值脉冲电流，TVS 的钳位电压应低于 14V。每个 TVS 器件都具有大约 7V 的相同击穿电压，并且根据 IEC 61000-4-5，其额定最大峰值脉冲电流为 20A。TVS 1 的 P_PP 额定值为在 20A 脉冲下为 300W（P_PP = 20A * 15V）；TVS 2 的 P_PP 额定值为在 20A 脉冲下为 400W（P_PP = 20A * 20V）；TVS 2 的 P_PP 额定值为在 20A 脉冲下为 500W（P_PP = 20A * 25V）；TVS 1 设计具有更低的钳位特性，并且直到器件导通 17A 的 I_PP（远高于 10A 的要求）时才达到 14V 的 IC 故障电压。TVS 2 直到低于 11A 才达到 14V 钳位电压。从理论上讲，该器件可以保护 IC，但是设计余量很小。TVS 3 在约 7A 的 I_PP 时钳位电压为 14V。换句话说，由于较高的钳位特性，即使 TVS 保持不损坏，10A 的脉冲也可能损坏 IC。在这种情况下，TVS 1 (300W) 是最佳解决方案，尽管其额定峰值脉冲功率低于 TVS 2 (400W) 和 TVS 3 (500W)。

图 4：IV 钳位电压特性曲线

上面的例子说明在考虑所有其他因素的情况下，低钳位电压意味着低 P_PP 额定值，但保护级别更高。因此，实际上额定峰值脉冲功率是指 TVS 在不损坏的情况下可以吸收多少功率，但不能预测 TVS 对敏感电路的保护程度。更重要的是，给定电流的钳位电压可衡量 TVS 对电路的保护能力。

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