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在开关电源的过压保护设计中,瞬态电压抑制二极管(TVS)是常用的保护器件,其核心作用是在电路遭遇瞬态过压时快速导通,将电压钳位在安全范围,避免后级电路受损。然而,并非所有类型的 TVS 都能适配开关电源场景 ——回扫 TVS因其自身特性,在开关电源端口的应用中存在难以规避的风险,甚至可能反向破坏电路,成为 “保护隐患”,但也并非说有的回扫型TVS 都不适合用在电源端口。
一、先理清概念:什么是 “回扫型 TVS”?
要理解回扫型 TVS 的应用局限,首先需要明确其核心特性与普通 TVS 的差异。
TVS二极管的核心参数是钳位电压(Vc)和击穿电压(Vbr)。
待机状态(高阻态):当两端电压低于击穿电压时,TVS处于关断状态,电阻极大,漏电流极小,对电路几乎没有影响。
击穿点:当瞬态电压超过击穿电压时,TVS被迅速击穿,进入钳位状态。
普通与回扫型TVS关键区别:
普通TVS:击穿后,电流增大,其两端电压会平稳地上升(钳位电压Vc)。
回扫型TVS:击穿后,随着电流增大,由于其内部的半导体物理效应,其两端电压会不升反降,形成一个电压下降的区域。这个电压下降到的谷值,就是回扫电压。
普通TVS的伏安特性曲线像一个对称的“Z”字,而回扫型TVS的曲线更像一个“S”形。关键区别在于负阻区。
二、问题的核心:开关瞬间与负阻特性的冲突
将回扫 TVS用于开关电源的输入口时,一个隐藏的风险在系统上电的瞬间被触发。
1、开关电源的启动特性: 开关电源在合闸上电的瞬间,其输入端的滤波电容(大容值电解电容)相当于短路状态,会产生一个巨大的浪涌充电电流。这个电流虽然持续时间极短,但峰值可能高达数十甚至上百安培。
2、回扫TVS的负阻效应: 回扫特性本质上源于TVS芯片在巨大电流下的负温度系数(NTC)效应。在极高电流密度下,硅材料发热导致载流子浓度急剧增加,呈现出“负阻”特性:电流越大,其动态电阻反而减小,从而导致钳位电压(Vc)下降。
3、危险的耦合:
在系统上电瞬间,巨大的电容充电电流浪涌可能意外触发回扫TVS的击穿。
一旦被触发,该电流浪涌会立即激发回扫 TVS的负阻特性,使其钳位电压Vc急剧下降。
关键点: 这个瞬间下降的Vc值,完全可能低于开关电源内部功率器件的最高额定电压(如MOSFET的Vds),甚至低于电源的正常工作电压范围。
三、危险的“锁存”效应
现在,我们来看最危险的情况,钳位电压低于电源的正常工作电压。
假设一个回扫型TVS用于保护一个+5V的电源线。
正常情况:一个+10kV的静电脉冲(或浪涌脉冲)袭来,TVS被击穿,将电压钳位。脉冲能量泄放后,电压回落到5V,TVS应自动恢复到高阻态。
异常情况(相当于短路):如果这个TVS的回扫电压是 +3V,低于工作电压+5V
第一步:一个浪涌使TVS击穿。
第二步:TVS进入负阻区,其两端电压从击穿电压(如6V)下降并稳定在3V。
第三步:浪涌脉冲过去了,但电路的+5V电源还在持续供电。
第四步:此时,TVS两端的电压是3V,而电源要维持5V。这产生了一个电压差。为了维持这个电压差,电源会持续地向TVS注入电流。
第五步:由于TVS仍处于导通后的低阻态,这个电流会非常大,一直高于回扫的维持电流。
第六步:结果:TVS无法自行关断,它会像一根导线一样,持续地从5V电源吸取巨大的电流。这就是“锁存”效应。
可以把它想象成一个不能自动弹起的开关: 浪涌把开关按了下去(击穿),但因为弹簧(回扫特性)太软,开关被卡在了“ON”的位置,无法弹回“OFF”位,导致电流持续流通。
四、为什么“相当于短路”?
在这种“锁存”状态下:
阻抗极低:TVS的动态电阻可能只有几欧姆甚至更低。
电流极大:根据欧姆定律 I = V/R,即使很小的电压差(如5V-3V=2V)除以很小的电阻,也会产生安培级的持续电流。这个电流大于锁存的维持电流,一直会让TVS 处于“锁存”状态,无法恢复,除非流入的电流低于维持电流。
后果严重:这个巨大的持续电流会产生大量热量,导致:
1、TVS自身因过热而烧毁(如果它的功率容量不够)。
2、更糟糕的是,如果TVS没立即烧毁,它会成为一个巨大的负载,拉垮整个电源系统,导致系统供电异常甚至重启。
3、起不到保护作用:当真正的过压再次来临时,这个已经处于导通状态的TVS可能无法有效响应。
五、深回扫和浅回扫TVS
根据回扫的大小(深浅),可以分为深回扫和浅回扫两种TVS。
深回扫TVS:
定义:深回扫负阻效应强,电压下降幅度大,回扫电压Vc低于工作电压Vrwm。只需要一个很小的电流就能维持导通状态。
优点:钳位电压极低,能为后级芯片提供最高级别的保护,特别适合保护那些耐压值非常低的先进工艺芯片。
缺点:锁存风险极高:由于回扫电压很低且维持电流小,一旦在电源线上误触发,电源电压很容易就能提供超过其维持电流的能量,导致TVS持续导通(短路),直至烧毁。
应用场景: 主要用于信号线路的保护,特别是那些驱动能力非常弱的线路(如高速数据线、射频天线)。绝对禁止用于能提供较大电流的电路,尤其是电源总线。
浅回扫 TVS
定义:负阻效应弱,电压下降幅度小,回扫电压相对较高:通常会高于或接近常见的工作电压。维持电流通常较高:需要一个相对大一些的电流才能维持导通状态。
优点:抗锁存能力强,安全性高:由于回扫电压较高且维持电流大,即使误触发,正常的电路电压也难以提供足够的电流来维持其导通状态,因此它能更容易地自动关断,系统稳定性更好。
缺点:钳位电压相对较高:保护性能不如深回扫TVS那么“强悍”。
应用场景:可以用于一些对锁存风险敏感但又需要一定浪涌防护的场合。例如:某些低压、有限流功能的电源路径,或者对保护等级要求不是极端苛刻的通用I/O口。
是深回扫和普通TVS之间一个很好的折中选择。
六、回扫型TVS 应用注意事项
工程选型建议
1、首选问题:信号线还是电源线?
电源线/高驱动电路:优先考虑浅回扫或标准TVS。稳定性压倒一切,避免锁存风险。
高速信号线/弱驱动电路:可以优先考虑深回扫TVS。利用其极低的钳位电压为昂贵的主芯片提供顶级保护,同时由于信号线驱动电流小,锁存风险天然可控。
2、仔细阅读数据手册:
一定要查看 I-V曲线图。深回扫的曲线“回扫”沟壑非常深且陡峭;浅回扫则相对平缓。确认维持电流的大小,并评估你的电路在异常情况下能否提供超过这个值的电流。
深回扫回扫型TVS 适合用于信号数据线(满足结电容条件)。
浅灰色和普通TVS 适合用于电源端口。
浅回扫型TVS 即使它的钳位电压Vc高于工作电压Vrwm,“锁存”效应不会发生,我们也一定要根据TVS电压型号放到电路里面考虑多种情况实际测试,因
为电路应用不同,可能会发生巨大区别。并非“一颗打遍天下”。
总之,回扫型TVS应用 ,我们要根据电路实际情况选型。
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