上一篇 有對(duì)產(chǎn)品浪涌和雷電脈沖的瞬態(tài)抑制方法和思路進(jìn)行了分析，我們?cè)賹?duì)浪涌防護(hù)中TVS的能量計(jì)算方法舉例給電子工程師們進(jìn)行參考。

1）浪涌與EFT及在產(chǎn)品抗擾度測(cè)試時(shí)的問題及差異

EFT測(cè)試是一種高頻的現(xiàn)象。其可以通過輻射，它能很容易地與其他電路產(chǎn)生交叉耦合。浪涌是一種頻率較低但能量較高的現(xiàn)象。它與其他電路很少發(fā)生耦合，且這種耦合通常在本質(zhì)上為感性的。此外，由于都是大電流，浪涌通常更容易受到阻性阻抗路徑的影響，而EFT則是受到電感的影響。

對(duì)于沒有金屬殼體的產(chǎn)品或設(shè)備，浪涌抗擾度設(shè)計(jì)需要引起注意。對(duì)接口及連接線測(cè)試的地方需要有相關(guān)的防護(hù)器件比如壓敏電阻、TVS等防護(hù)器件。

2）典型的器件解決方法

一些常用的瞬態(tài)抑制器件的設(shè)計(jì)如下：

（1）氣體放電管為耐用且壽命長(zhǎng)的裝置。它不能直接用在交流線路上，在交流和直流應(yīng)用中都需要注意其關(guān)鍵的參數(shù)滅弧電壓；否則容易造成電路的故障。氣體放電管能承受高電壓，但響應(yīng)時(shí)間慢其上升時(shí)間為100ns。

（2）TVS管的響應(yīng)時(shí)間非常快，可以達(dá)到pS級(jí)的上升時(shí)間，能承受大功率，但預(yù)期壽命有限。

（3）壓敏電阻MOV的響應(yīng)時(shí)間較快，上升時(shí)間可達(dá)10～20nS，能承受大功率，但要注意其使用中的安全問題。

在解決一些強(qiáng)浪涌能量時(shí)，需要使用壓敏電阻、氣體放電管及TVS管的相互配合使用。其設(shè)計(jì)及使用技巧可參考《開關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》。

3）正確選擇TVS二極管案例

可使用以下參數(shù)來選擇TVS二極管：

（1）反向峰值電壓>工作電壓。反向峰值電壓為TVS沒有擊穿時(shí)的工作電壓。TVS在信號(hào)電壓或電源線電壓時(shí)不能被擊穿。

（2）峰值脈沖電流>瞬態(tài)電流。TVS必須能承受所施加的高能量脈沖，在測(cè)試時(shí)不能被損壞。

（3）鉗位電壓<電路或被保護(hù)器件的耐受電壓。TVS的鉗位電壓將隨著電流的增加而增加，能比額定的反向峰值電壓高25%。這實(shí)際上是保護(hù)了設(shè)備，但電路必須能承受這種較高的電壓。

（4）所需的最大電流來自于雷電或浪涌電流的要求。

以應(yīng)用在直流電路器件的15KP48A-TVS二極管來進(jìn)行分析：

參數(shù)

值

10×1000us試驗(yàn)波形的峰值脈沖耗散功率

15kw

正向峰值浪涌電流，8.3ms的僅單向的單個(gè)半正弦波

400A

1. A. 反向峰值電壓：48V

2. B. 擊穿電壓：最小值53.6V ;最大值58.7V

3. C. 最大峰值脈沖電流：194.3A

4. D. 峰值脈沖電流時(shí)的最大鉗位電壓：77.7V

注意：當(dāng)通過二極管的電流增加，其鉗位電壓也會(huì)隨之增加，但增加值可能不是很大。因此，當(dāng)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過電壓能力時(shí)應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)這種最大鉗位電壓。

對(duì)于15KP48A的TVS管15KW的含義是：最大峰值電流194.3A與其對(duì)應(yīng)的最大鉗位電壓77.7V的乘積為 15KW. 亦即知道某些參數(shù)，其它參數(shù)是可以通過計(jì)算得到。

即194.3A×77.7V≈15KW

注意：設(shè)計(jì)工程師容易對(duì)上面表中的正向峰值浪涌電流（400A）和所選擇的特定TVS二極管的峰值脈沖電流產(chǎn)生混淆。在使用時(shí)應(yīng)該查找所選擇二極管的峰值脈沖電流值。

示例：

標(biāo)準(zhǔn)為：RTCA DO-160F中的雷電感應(yīng)的瞬態(tài)敏感測(cè)試：測(cè)試電壓300V，儀器內(nèi)阻為1Ω，測(cè)試波形為69us/250us。選擇器件15KP48A進(jìn)行防護(hù)；分析設(shè)計(jì)。

假設(shè)使用雷電發(fā)生器的最小源阻抗進(jìn)行計(jì)算：

（1）浪涌的單根線電流I=300V/1Ω=300A   R=1Ω

（2）最高電壓與鉗位電壓之間的差值U1=300V-77.7V=223V

（3）計(jì)算其瞬態(tài)功率值為P=V2/R=2232/1≈50kW

（4）TVS鉗住此脈沖的總時(shí)間t=250us

（5）產(chǎn)生的能量E= V2·t/R=P·t=50kw×0.00025s=12.5J

（6） 器件15KP48A的能量Eq=15kw×1000us=15J

（7） 系統(tǒng)浪涌的測(cè)量能量12.5J < 器件能量15J 滿足要求。

（8）器件瞬態(tài)峰值電流Iq=U1/R =223V/1R =223A

（9）器件的最大峰值脈沖電流=194.3A <223A;因此，電路中需要增加匹配NTC電阻完成設(shè)計(jì)。

上述案例是直流電源線上的設(shè)計(jì)。當(dāng)在交流電源線上使用瞬態(tài)抑制器時(shí)，必須考慮如下兩個(gè)非常重要的問題：

1. A. 瞬態(tài)抑制器的額定擊穿電壓必須大于波形的峰值電壓加上一定的裕量。比如，如果輸入線路電壓為AC120V，那么峰值電壓將為170V。如果瞬態(tài)抑制器的額定電壓小于此峰值電壓，其將鉗住每個(gè)波形，從而導(dǎo)致抑制器的損壞。

2. B. 考慮線路的過電壓特性。如果交流線路經(jīng)常遭受10%的過電壓比如132V，那么需要重新考慮峰值電壓以避免燒壞瞬態(tài)抑制器。此時(shí)使用額定擊穿電壓為200V或更大的瞬態(tài)抑制器才是可能的設(shè)計(jì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，很少有在交流電網(wǎng)中使用TVS進(jìn)行浪涌設(shè)計(jì)的，這只是一個(gè)說明器件的參考選擇方法，請(qǐng)電子工程師們一定要注意應(yīng)用場(chǎng)合。

產(chǎn)品問題的發(fā)生也是跟我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性相關(guān)聯(lián)的

更多的電子產(chǎn)品電路可靠性設(shè)計(jì)系列，會(huì)逐漸為大家解開這些設(shè)計(jì)方面的坑，讓電子設(shè)計(jì)工程師少走彎路，敬請(qǐng)關(guān)注！