485通信电路中TVS管的防护及选型研究

485通信电路中 TVS管的防护及选型研究

李涛

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519000

摘要：控制器售后故障件很多是由于TVS二极管损坏导致，而大多数不是器件本身质量问题，而是是器件选型不当及电路设计缺陷造成。本文介绍了TVS管的基本原理、特性，并结合具体电路及防护性测试结果分析了其防护原理并给出了选型指导。通过此方法设计电路可有效提升通信电路可靠性，可做为类似电路设计的器件选型指导。

关键词：TVS 防护 选型指导

引言

电路的可靠性是产品成败的关键，目前发现硬件电路失效部分多为通信端口。由于端口对外环境复杂多样，防护做不好则将产生一系列致命问题。本文针对通信电路防护关键器件TVS管进行研究及可靠性验证，得出一些设计上切实有效的方法及结论力争提升产品可靠性[1][4]。

1. 概述

TVS（Transient Voltage Suppressor）俗称瞬变电压抑制二极管。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1× 秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

TVS管按照极性可分为单向TVS二极管及双向TVS二极管。目前，常用的TVS管有：片状TVS二极管 16V/3W、TVS二极管 P6KE6.8CA(双向)、片状TVS二极管 SMB6.8CA、TVS二极管 SA16A、片状TVS二极管 SMB43CA、TVS二极管 SA15A、TVS二极管SA5.0A等[2][3]。

2. TVS管的作用及特性

2.1 TVS管的作用

（1）将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵；

（2）静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导致损坏，利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰；

（3）将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。

2.2 电气特性

TVS二极管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。一般在电路中应用的是其反向特性。需要注意以下几个参数：

(1)最大反向漏电流IR和额定反向关断电压VRWM。

VRWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当该反向电压加入TVS的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流IR。

(2)最小击穿电压VBR和击穿电流IT
    VBR是TVS最小的雪崩电压。25℃时，在这个电压之前，TVS是不导通的。当TVS 流过规定的1mA电流时，加入TVS两极间的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把TVS分为±5%VBR和±10% VBR两种。对于±5%VBR来说，VWM=0.85VBR；对于±10% VBR来说，VWM=0.81 VBR。
(3)最大箝拉电压VC和最大峰值脉冲电流IPP
    当持续时间为20微秒的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两极间出现的最大峰值电压为VC。它是串联电阻上和因温度系数两者电压上升的组合。VC 、IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。

（4）电容量C

电容量C是TVS雪崩结截面决定的、在特定的1MHZ频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C过大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。
    （5）最大峰值脉冲功耗PM
    PM是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。

（6）箝位时间TC 
    TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12秒；对双极性TVS小于是1×10-11 秒[3]。

双向TVS二极管的电气特性与单向类似，因为它是两个反向串联的，故其正向具有与反向同样的特性曲线。

3. TVS管的选型

在具体的应用选型中，需注意以下几个方面：

(1)若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时，应当选用双极性的，否则可选用单极性；

(2)所选用TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损坏的危险；

(3)TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态；

(4)如果知道比较准确的浪涌电流IPP，则可利用VC与Ipp来确定功率；如果无法确定IPP的大致范围，则选用功率大些的TVS为好。

(5)TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0．01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，不然有可能损坏TVS；

(6)对于小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，一般不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。

(7)电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

(8)为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用，可以按需要挑选器件[3]。

4. 电路中的应用

在485通信电路中TVS管常被用作防护器件接在A线和B线上，如图1所示为单向的TVS二极管[5][6]。

图1 单向TVS管应用在485通信电路上

上图1中TVS管的正极与地连接，负极与通信线的A线B线连接。TVS1和TVS2起到防雷击浪涌作用，利用其反向特性，当通信线上有大的干扰电压时TVS管就会立即导通，电流就会沿着阻抗小的回路（TVS管到GND）流向大地，释放能量，对电路起到保护作用。能量释放后，TVS管能恢复初始状态，继续对电路实施实时保护。

因为485通讯电路多用于多路通信，如果它们之间不共地，则有可能导致TVS管存在正向偏压，如果使用这种单向TVS管，容易导致TVS的损坏，致使通讯异常。单向TVS管，顾名思义，只能对一个方向上的电压进行钳位。

对其进行EFT试验时，发现该电路能很好抑制住某一方向上的脉冲，对另一方向上的脉冲则抵抗能力较弱。浪涌试验及静电试验也是如此。

图2为双向的TVS管应用在485通信电路上：

图2 双向TVS管应用在485通信电路上

双向TVS二极管，一端接通信线，一端接GND，两个方向上都有单向TVS管的反向特性。它除了具有单向TVS管的所有作用外，在多路通信不共地的情形下，也能对电路进行保护，因为它在两个方向都可以对电压进行钳位，故在通信电路中（特别是有多路通信）推荐选用双向TVS二极管。

对该电路系统进行EMC项目的相关测试也能说明这一点，它能顺利通过±4KV EFT测试，±4KV浪涌测试及企标静电测试[7][8]。

图2中的两个单路TVS二极管可用一个集成的双向TVS管替换，它与单路的TVS管功能一样，只是它集成度高，体积小，方便布局布线。

图2、3中采用的485收发器为MAX13089，那么要选择什么参数的TVS管呢？

首先，对于485通信电路，可能涉及多路通信，需要选择双向的TVS管；

其次，考虑Vc值，MAX13089的最大耐压为+13V，故Vc<13V，IPP因尽量大一些，一般为几十安培，这样释放多余能量也会迅速一些；

第三，该收发器工作电压为+5V左右，所以选用TVS管的VRWM要比+5V要高，不然起不到保护作用； VBR要比VRWM大， 由于是针对信号线，故可选择6V-7V；

第四，温度范围：收发器正常工作范围为-40—+125℃，TVS管的工作温度范围要满足该范围；

第五，选择的TVS管功率要足够大，因为Vc与IPP都相对较大；

第六，MAX13089通信速率较大（最大可达16Mbps），所以TVS电容不易过大；

最后，满足IEC61000-4-2国际标准，须具有处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击的能力[6]。

综上，结合我们常用的物料，推荐选用片状TVS二极管 SMB6.8CA，其相关参数可以通过其规格书查询。

电阻通常也与TVS管配合使用，它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。串联电阻的位置对防护效果也至关重要，电阻可分为在TVS管内和TVS管外两种，如下图3和图4所示（其中R1为串联电阻，R2为被保护电路输入阻抗）。

图3 电阻在TVS管内 图4 电阻在TVS管外

若想通过此串联电阻来降低浪涌的冲击电流，一定要考虑电阻的功率。如功率较小，建议将电阻收发器芯片放置，也就是图3中的接法，也是较为通用的接法。如果电阻的功率足够大，可根据被保护电路的输入阻抗（R2）的大小来选择连接方式，即：如果阻抗较高，适合采用图4的接法，因为此时R1与R2的串联并不能给限流或者分压起到多大的作用，且TVS在有效时总是以低阻的形式出现，所以按照图4的接法更能起到限流的作用；如果阻抗较低，适合采用图3所示的保护电路，因为此时R1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。

此外，在PCB布局时，TVS管在电路中的位置也很重要，要起到好的防护作用，一定要让外界来的干扰第一时间经过TVS管，防止进入电路内部，造成器件损坏。485通信电路的电阻一般靠近芯片放置，TVS管靠近端口放置。这样防护能力较强。使干扰先经过TVS再到被保护器件，且防护器件的地最好单独铺一条地线作为保护地到电源地，这样做可以使干扰被有效吸收且不影响其他电路。最后，需保证整个地网路的连续性，通过ACL仿真发现，电感值较低（一般在30nH以下）的网络，其抵抗EFT、浪涌、静电的能力也就越强[4][7][8]。

5. 总结

综上，给出了防护端口可靠性设计的案例分析，总结了电路设计及器件选型的注意事项，通过实验测试结果说明了其方案的有效性及可行性。该方案进行内部推广后，类似通讯端口售后故障率有了明显的下降，提升了电路可靠性及产品质量，减少了售后投诉。为后续类似电路设计提供了借鉴意义。其要点有以下四点：（1）在设计通信电路时，若果成本没有特殊要求，需选择选双向TVS管为宜；（2）关键参数根据电路及芯片特性、信号频率及需要的防护等级一定要按上述要求细心选择；（3）如搭配电阻使用，布局时电阻尽量接近芯片，TVS接近端口，地线要单独铺；（4）硬件仿真分析将参数量化也是有效的手段。

参考文献:

[1] (美)Michael G. Pecht ，(美)Kailash C. Kapur 康锐，张叔农 可靠性工程基础，电子工业出版社，2011 05；

[2] 王宜怀，刘晓升 嵌入式应用技术基础教程 清华大学出版社 2005 07；

[3] 网上相关资料；

[4] Prof.Dr.-Ing.Klaus Hofmann Reliability of electrical and electromic components and Systems，Spring Term 2015；

[5] 江思敏，姚鹏翼，PADS电路原理图和PCB设计 机械工业出版社 2008 05；

[6] 企业内部资料（非公开）；

[7] 郑军奇 EMC电磁兼容设计与测试案例分析，电子工业出版社 2006 12；

[8] 郑军奇 电子产品设计EMC风险评估，电子工业出版社 2008 05。