0 前言

本文為EMC小知識學(xué)習(xí)簡筆系列的 第四篇 ，前文EMC小知識學(xué)習(xí)簡筆(三)介紹了數(shù)字IC電源、時鐘、接口相關(guān)的濾波設(shè)計。接下來介紹 EMC防護中的主流防護器件 ，本文首先介紹 鉗位型防護器件MOV、TVS ，下期為大家?guī)黹_關(guān)型防護器件GDT、TSS。

下圖為MOV、GDT、TSS、TVS的防護特性曲線對比，從圖中可以直觀地感受到各類型器件的防護差異。

1 壓敏電阻(VDR/MOV)

1.1 壓敏電阻說明(MOV、VDR)

壓敏電阻是一種對電壓敏感，電阻值隨電壓而變化的阻器，英文名稱叫Voltage Dependent Resistor，簡寫為VDR。它是一種過壓保護元件，與電路并聯(lián)使用，正常電壓下相當(dāng)于一個小電容，當(dāng)電路出現(xiàn)過高電壓時，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，用來保護電子產(chǎn)品或元件免受開關(guān)或雷擊產(chǎn)生突波的影響。

金屬氧化物壓敏電阻(MOV)是一種特定類型的壓敏電阻，通常由鋅氧化物制成，應(yīng)用廣泛。

壓敏電阻的尺寸和耐壓一般會被明顯地標(biāo)注在本體外殼上，如20D471K代表壓敏電阻的直徑為20mm，壓敏電壓為470V。

MOV與TVS的IV曲線比較相似，Vdrm和Vc分別為壓敏電阻的壓敏電壓和最大鉗位電壓?？梢钥吹組OV的防護速度和鉗位值都比較穩(wěn)定，保護后存在殘壓。

1.2 壓敏電阻選型

a. 確定電路正常工作電壓和壓敏電壓

根據(jù)電路的工作電壓通過以下的方式來確定壓敏電阻的 壓敏電壓 (Vrwm 擊穿電壓)，一般情況壓敏電壓選取為電路最大直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，計算結(jié)果應(yīng)擴大1.414倍。

壓敏電阻導(dǎo)通后的最高電壓為Vc，應(yīng)確保Vc及殘壓低于后級電路耐壓;

b. 確定被保護電路的防護量級和通流量

根據(jù)防護量級確定壓敏電阻通流量，一般要求最大通流量為理論計算通流量的2倍以上，以便增加器件的使用壽命，即:Imax≥I工作*2。

以下為一些測試工況的計算示例：

1kV電源差模防護：測試回路內(nèi)阻為2R，計算回路電流為I =V /R =500A，器件通流量選擇要求Imax>l*2=1000A;

4kV電源共模防護：測試回路內(nèi)阻為12R，計算回路電流為333A，器件通流量選擇要求lmax>I*2=660A;

1kV信號共模防護：測試回路內(nèi)阻為42R，計算回路電流為25A，器件通流量選擇要求Imax>I工作*2=50A.

c. 確定壓敏電阻兩端的結(jié)電容

結(jié)電容值以不影響被防護電路的正常工作為準(zhǔn)，MOV的寄生電容很大，一般在nF或幾十nF級別，下圖是不同信號電路的推薦結(jié)電容范圍。

電源電路 ：如果是加在線-線之間，結(jié)電容可以不用關(guān)注，如果是加在線對地之間，那么需要考慮漏電流對于產(chǎn)品安全的影響:

信號電路 ：防護器件的結(jié)電容需要根據(jù)保護電路信號速率來定，高速信號線上盡可能的選擇結(jié)電容小的器件，以免影響電路的正常工作。

d. 注意事項

一般不建議壓敏電阻并聯(lián)使用(分流不均)。

壓敏電阻的失效模式為短路起火，當(dāng)應(yīng)用到電源電路時，應(yīng)在前端加裝保險絲，以防止能量超過額定能量后擊穿短路，無法恢復(fù)。

當(dāng)壓敏電阻用于電源口線-地共模防護時，需要在線地之間增加保險絲，防止器件失效導(dǎo)致電源對地短路，或配合氣體放電管使用(防止MOV殘壓以及MOV失效時的對地短路)。

1.3 壓敏電阻實測及應(yīng)用案例

實測MOV的鉗位電壓，還是比較準(zhǔn)確的，曲線也和理論值比較符合。

MOV老化之后，容易起火失效(老化主要是多次工作后漏電流等增加導(dǎo)致的，同時工頻電壓一直存在)，MOV的失效模式是短路，所以一般應(yīng)用要 串保險絲或者氣體放電管 。

MOV鉗位電壓實測MOV失效起火

壓敏電阻在AC和DC電源中可以用于 差模和共模防雷 。下圖是兩個應(yīng)用案例。AC220V一般使用471耐壓規(guī)格，DC48V一般使用101規(guī)格。

AC電源壓敏電阻應(yīng)用電路DCD電源壓敏電阻應(yīng)用電路

2 瞬態(tài)抑制二極管(TVS)

2.1 TVS器件說明

瞬態(tài)電壓抑制器(TVS Transient Voltage Suppressor)的工作類似于普通的穩(wěn)壓管，基于半導(dǎo)體硅材料，通過功率半導(dǎo)體工藝加工而成，屬于 鉗位型防護器件 ，與被保護設(shè)備并聯(lián)使用。

瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)具有極快的響應(yīng)時間(亞納秒級)和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。TVS 可用于保護設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓，一般用于比較精細(xì)的場景(ESD、浪涌)。

TVS能夠處理的電壓范圍一般在3V-550V，Ipp在幾A~幾百A(10/1000us)。

TVS的關(guān)鍵參數(shù)：

Vr/Vrwm/Vdrm：TVS的反向截止電壓/可重復(fù)承受電壓/最大額定直流電壓，TVS的型號名一般對應(yīng)這個電壓值。

Vbr：TVS擊穿電壓，阻抗開始突然降低，進入雪崩狀態(tài)。

Vc：抑制電壓/鉗位電壓，當(dāng) TVS 管承受高能量沖擊時，管子中流過大電流峰值為lpp，端電壓由 Vr 上升到 Vc 值就不再上升了，從而實現(xiàn)了保護作用。

It：Vrwm的測試電流，一般為1mA，Ir一般對應(yīng)1uA(存疑)。

Ipp：瞬態(tài)峰值電流，允許流過的最大浪涌電流，反映了TVS的浪涌承受能。

Ppp：峰值功率，一般是Vc和Ipp相乘。

Cj：結(jié)電容，數(shù)據(jù)一般是在1MHz下測試的，TVS的結(jié)電容一般偏大。

2.2 TVS選型

根據(jù)保護電路工作電壓，確定器件反向關(guān)斷電壓

明確防護電路的最大工作電壓，反向關(guān)斷電壓應(yīng)該大于等于保護電路最大工作電壓，即：Vrwm > V_工作(交流需要*1.414)。

根據(jù)防護技術(shù)需求，確定 TVS 管鉗位電壓和功率參數(shù)

TVS的最大鉗位電壓 Vcmax => (1.5~2.0)Vrwm，一般反向關(guān)斷電壓和通流量 lpp 確定后，TVS 管需要滿足的最小峰值功率Pw => Vcmaxlpp=(1.5~2.0)*Vrwm*lpp。

如果需要保留功率較大的降額，在滿足防護要求的情況下，增加 TVS 管器件功率值，以達到更大的防護性能。注意測試條件的持續(xù)時間，如果規(guī)格書與測試條件不一致，需要在表格中查找對應(yīng)測試時間的Ipp或Ppp。

對小電流負(fù)載的保護，可有意識地在線路中增加 限流電阻或PTC ，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會影響線路的正常工作，就有可能選用峰值功率較小的 TVS 管來對小電流負(fù)載線路進行保護。

根據(jù)防護電路工作頻率確定 TVS 管結(jié)電容

根據(jù)防護電路工作頻率確定 TVS 管結(jié)電容 (信號接口考慮)，要注意 TVS 管結(jié)電容的累積效應(yīng)。

4.注意事項

TVS用于信號口靜電防護設(shè)計時，在滿足功能要求的情況下，針對 TVS 管功率無要求，基本上所有 TVS 管都可以滿足靜電抗擾度最高等級 (空氣放電 15kV，接觸放電8kV) 測試要求。

要防止電源和負(fù)載正常的波動導(dǎo)致TVS誤動作。

由于 TVS 管通流量有限，因此 TVS 管一般情況下不單獨用于電源口的浪涌防護設(shè)計。

2.3 測試及案例

下圖是針對TVS SMDJ58CA的測試示意，可以看到VBR、VC、IPP均符合要求。

應(yīng)用案例1：DC的電源接口防護

DC28V供電，過浪涌等級1-對應(yīng)開路電壓500V。

a. 確定標(biāo)準(zhǔn)和功率要求。

需要滿足浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn) IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)等級 1 ，根據(jù)浪涌設(shè)備(組合波發(fā)生器)的機理，差模測試其內(nèi)部匹配電阻一般為2R，也就是說500V開路電壓對應(yīng)250A短路電流。由于發(fā)生器和EUT之間通過18uF電容耦合，導(dǎo)致開路電壓和短路電流的持續(xù)時間不同，一般為1.2/50μs開路電壓，8/20μs短路電流，兩者是同一個測試條件

b. TVS電壓選型

穩(wěn)態(tài)工作電壓要大于輸入額定的28V，28V*1.2倍=33.6V，可以選擇36V。

c. 脈沖電流和峰值功率計算

標(biāo)準(zhǔn)要求的 1.2/50us 波形條件下測試電流 lpp: 250A，轉(zhuǎn)換為測試峰值功率 P=lpp 測試*Vc=250A*58=14500(W) =14.5 (Kw)。

d. 對照規(guī)格書

查找符合上述條件的器件規(guī)格書，找到一款器件型號：5.0SMDJ36 符合要求且考慮到一定的降額設(shè)計 80%。一般規(guī)格書可能會給10/1000us的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)表格找對應(yīng)1.2/50us的。

應(yīng)用案例2：ESD保護

ESD雖然靜電電壓很高，但是持續(xù)時間非常短(ns級)，上升時間0.7-1ns，半波時間30ns，放電電流也很小(幾十A級)，因此實際功率很小，對于TVS來說是小意思。

設(shè)備如果為金屬殼，TVS優(yōu)先接到機殼屏蔽地上，靠近接口放置。

應(yīng)用案例3：芯片ESD保護

如果TVS的鉗位電壓不夠低，可以在TVS和敏感芯片之間加電阻，來保護芯片，作用主要是分壓。

如果TVS的功率不夠高，可以在輸入和TVS之間加功率電阻或者PTC，作用主要是限流。

如果能量實在特別大，可以采用GDT/MOV+電阻/PTC/電感+TVS的組合(兩級防護)，保護時，電阻/電感+TVS的電壓要高于前面的GDT/MOV鉗位電壓，要不然不會起作用。這里是利用了前級MOV/GDT大功率+TVS快速精細(xì)防護的特點。

應(yīng)用案例4：防護器件PCB布局

TVS放置在接口處，就近連接到地。走線要有：先進TVS焊盤，再出去的那種感覺。