TVS 管,即瞬态电压抑制二极管,凭借其快速的响应速度、精准的钳位电压以及多样化的封装形式,在各类需要瞬态电压保护的电子电路领域得到了广泛应用,如电子仪器与仪表、医疗设备、工业自动化设备、计算机系统以及通讯设备等。在进行保护设计时,选择合适的 TVS 管至关重要。在 TVS 管的众多参数中,峰值脉冲功率是许多工程设计人员关注的重要参数之一,不少人普遍认为峰值功率越大,保护效果就一定越好。那么,真实情况是否如此呢?
很多电子工程师在选择 TVS 管时,会依据额定峰值脉冲功率 PPPM 来考虑器件型号,并认为更高的额定功率意味着会有更好的保护效果。然而,这种观念存在误区。
TVS 二极管的峰值脉冲功率额定值定义为设备在给定脉冲条件下消耗的瞬时功率,它通过关系式计算得出:PPPM = VCX IPP。其中,PPPM 表示峰值脉冲功率,IPP 是流经 TVS 管的峰值脉冲电流,VC 是在 IPP 下测得 TVS 管两端的峰值电压(即 TVS 管的钳位电压),VC 值越低表示拥有越好的保护效果。
基于以上三个参数,不同品牌同规格型号的 TVS 管之间,会存在以下情况。

图一展示了 A 品牌的 TVS1 在 10/1000us 波形 16A 下面的 VC 值为 15.76V。

图二则显示 B 品牌的 TVS2 在 10/1000us 波形 16A 下面的 VC 值为 17.28V。

图三呈现了 B 品牌的 TVS3 在 10/1000us 波形 16A 下面的 VC 值为 21.29V。
在相同测试环境下,同样的 IPP 不同 TVS 管会有不同的 VC 值。根据峰值脉冲功率关系式 PPPM = VC×IPP 和上述图片中的实测数据,可算出 TVS1 的峰值脉冲功率 PPPM1 = 253.58W、TVS2 的 PPPM2 = 277.69W、TVS3 的 PPPM3 = 339.5W。此时,低 VC 值的 TVS 管显然算出了更低的 PPPM 峰值脉冲功率,这是否意味着其对后端电路的保护效果不佳呢?
虽然峰值脉冲功率是 TVS 在不损坏的情况下可以吸收多少功率的量度,但它并不能直接预测 TVS 对敏感电路的保护程度。实际上,对于电路的保护程度更多地取决于 TVS 的钳位电压。钳位电压必须低于被保护电路或者 IC 器件的耐压值,以确保在瞬态事件发生时,TVS 能够有效地将瞬态电流分流到地,从而保护电路免受损坏。因此,在选择 TVS 管时,除了考虑峰值脉冲功率外,还需要重点考虑钳位电压这一关键参数。
假设有一个 12V 输入 DC/DC 电源需要做 1000V 的浪涌测试,其电源芯片的耐压值 VCMAX 为 28V。根据 IEC61000 - 4 - 5 浪涌要求内阻为 2Ω,通过公式 IPP = VPeakX Rm(其中 VPeak 为浪涌脉冲电压,IPP 为峰值脉冲电流,Rm 为阻抗匹配电阻)计算,可得出该器件需要满足 500A 的 IPP 浪涌电流承受能力。
分别有三款同型号的 TVS1、TVS2 和 TVS3,它们 IPP 值均为 500A。然而,通过分析它们的 IV 特性曲线发现,TVS1 具有较低的钳位特性,能够在 500A 的电流下保持钳位电压 VC1 = 25V,远低于 28V 要求。而 TVS2 的 VC2 = 28V,虽然也可以保护 IC,但设计几乎没有余量。TVS3 的 VC3 = 30V,由于较高的钳位特性,即使 TVS 功率,1000V 的脉冲浪涌冲击也会损坏 IC。因此,在这种情况下,TVS1 是解决方案,尽管它的峰值脉冲功率额定值较低。
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