钳位型防护器件MOV、TVS介绍-电子发烧友网

0 前言

本文为EMC小知识学习简笔系列的第四篇，前文EMC小知识学习简笔(三)介绍了数字IC 电源、时钟、接口相关的滤波设计。接下来介绍 EMC防护中的主流防护器件，本文首先介绍钳位型防护器件MOV、TVS ，下期为大家带来开关型防护器件GDT、TSS。

下图为MOV、GDT、TSS、TVS的防护特性曲线对比，从图中可以直观地感受到各类型器件的防护差异。

1 压敏电阻(VDR/MOV)

1.1 压敏电阻说明(MOV、VDR)

压敏电阻是一种对电压敏感，电阻值随电压而变化的阻器，英文名称叫Voltage Dependent Resistor，简写为VDR。它是一种过压保护元件，与电路并联使用，正常电压下相当于一个小电容，当电路出现过高电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，用来保护电子产品或元件免受开关或雷击产生突波的影响。

金属氧化物压敏电阻(MOV)是一种特定类型的压敏电阻，通常由锌氧化物制成，应用广泛。

压敏电阻的尺寸和耐压一般会被明显地标注在本体外壳上，如20D471K代表压敏电阻的直径为20mm，压敏电压为470V。

MOV与TVS的IV曲线比较相似，Vdrm和Vc分别为压敏电阻的压敏电压和最大钳位电压。可以看到MOV的防护速度和钳位值都比较稳定，保护后存在残压。

1.2 压敏电阻选型

a. 确定电路正常工作电压和压敏电压

根据电路的工作电压通过以下的方式来确定压敏电阻的压敏电压 (Vrwm 击穿电压)，一般情况压敏电压选取为电路最大直流工作电压的1.5倍，在交流状态下还要考虑峰值，计算结果应扩大1.414倍。

压敏电阻导通后的最高电压为Vc，应确保Vc及残压低于后级电路耐压;

b. 确定被保护电路的防护量级和通流量

根据防护量级确定压敏电阻通流量，一般要求最大通流量为理论计算通流量的2倍以上，以便增加器件的使用寿命，即:Imax≥I工作*2。

以下为一些测试工况的计算示例：

1kV电源差模防护：测试回路内阻为2R，计算回路电流为I =V /R =500A，器件通流量选择要求Imax>l*2=1000A;

4kV电源共模防护：测试回路内阻为12R，计算回路电流为333A，器件通流量选择要求lmax>I*2=660A;

1kV信号共模防护：测试回路内阻为42R，计算回路电流为25A，器件通流量选择要求Imax>I工作*2=50A.

c. 确定压敏电阻两端的结电容

结电容值以不影响被防护电路的正常工作为准，MOV的寄生电容很大，一般在nF或几十nF级别，下图是不同信号电路的推荐结电容范围。

电源电路：如果是加在线-线之间，结电容可以不用关注，如果是加在线对地之间，那么需要考虑漏电流对于产品安全的影响:

信号电路：防护器件的结电容需要根据保护电路信号速率来定，高速信号线上尽可能的选择结电容小的器件，以免影响电路的正常工作。

d. 注意事项

一般不建议压敏电阻并联使用(分流不均)。

压敏电阻的失效模式为短路起火，当应用到电源电路时，应在前端加装保险丝，以防止能量超过额定能量后击穿短路，无法恢复。

当压敏电阻用于电源口线-地共模防护时，需要在线地之间增加保险丝，防止器件失效导致电源对地短路，或配合气体放电管使用(防止MOV残压以及MOV失效时的对地短路)。

1.3 压敏电阻实测及应用案例

实测MOV的钳位电压，还是比较准确的，曲线也和理论值比较符合。

MOV老化之后，容易起火失效(老化主要是多次工作后漏电流等增加导致的，同时工频电压一直存在)，MOV的失效模式是短路，所以一般应用要串保险丝或者气体放电管。

MOV钳位电压实测MOV失效起火

压敏电阻在AC和DC电源中可以用于差模和共模防雷。下图是两个应用案例。AC220V一般使用471耐压规格，DC48V一般使用101规格。

AC电源压敏电阻应用电路DCD电源压敏电阻应用电路

2 瞬态抑制二极管(TVS)

2.1 TVS器件说明

瞬态电压抑制器(TVS Transient Voltage Suppressor)的工作类似于普通的稳压管，基于半导体硅材料，通过功率半导体工艺加工而成，属于钳位型防护器件，与被保护设备并联使用。

瞬态电压抑制器(TVS)具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。TVS 可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压以及感应雷所产生的过电压，一般用于比较精细的场景(ESD、浪涌)。

TVS能够处理的电压范围一般在3V-550V，Ipp在几A~几百A(10/1000us)。

TVS的关键参数：

Vr/Vrwm/Vdrm：TVS的反向截止电压/可重复承受电压/最大额定直流电压，TVS的型号名一般对应这个电压值。

Vbr：TVS击穿电压，阻抗开始突然降低，进入雪崩状态。

Vc：抑制电压/钳位电压，当 TVS 管承受高能量冲击时，管子中流过大电流峰值为lpp，端电压由 Vr 上升到 Vc 值就不再上升了，从而实现了保护作用。

It：Vrwm的测试电流，一般为1mA，Ir一般对应1uA(存疑)。

Ipp：瞬态峰值电流，允许流过的最大浪涌电流，反映了TVS的浪涌承受能。

Ppp：峰值功率，一般是Vc和Ipp相乘。

Cj：结电容，数据一般是在1MHz下测试的，TVS的结电容一般偏大。

2.2 TVS选型

根据保护电路工作电压，确定器件反向关断电压

明确防护电路的最大工作电压，反向关断电压应该大于等于保护电路最大工作电压，即：Vrwm > V_工作(交流需要*1.414)。

根据防护技术需求，确定 TVS 管钳位电压和功率参数

TVS的最大钳位电压 Vcmax => (1.5~2.0)Vrwm，一般反向关断电压和通流量 lpp 确定后，TVS 管需要满足的最小峰值功率Pw => Vcmaxlpp=(1.5~2.0)*Vrwm*lpp。

如果需要保留功率较大的降额，在满足防护要求的情况下，增加 TVS 管器件功率值，以达到更大的防护性能。注意测试条件的持续时间，如果规格书与测试条件不一致，需要在表格中查找对应测试时间的Ipp或Ppp。

对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻或PTC ，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，就有可能选用峰值功率较小的 TVS 管来对小电流负载线路进行保护。

根据防护电路工作频率确定 TVS 管结电容

根据防护电路工作频率确定 TVS 管结电容 (信号接口考虑)，要注意 TVS 管结电容的累积效应。

4.注意事项

TVS用于信号口静电防护设计时，在满足功能要求的情况下，针对 TVS 管功率无要求，基本上所有 TVS 管都可以满足静电抗扰度最高等级 (空气放电 15kV，接触放电8kV) 测试要求。

要防止电源和负载正常的波动导致TVS误动作。

由于 TVS 管通流量有限，因此 TVS 管一般情况下不单独用于电源口的浪涌防护设计。

2.3 测试及案例

下图是针对TVS SMDJ58CA的测试示意，可以看到VBR、VC、IPP均符合要求。

应用案例1：DC的电源接口防护

DC28V供电，过浪涌等级1-对应开路电压500V。

a. 确定标准和功率要求。

需要满足浪涌抗扰度标准 IEC 61000-4-5 标准等级 1 ，根据浪涌设备(组合波发生器)的机理，差模测试其内部匹配电阻一般为2R，也就是说500V开路电压对应250A短路电流。由于发生器和EUT之间通过18uF电容耦合，导致开路电压和短路电流的持续时间不同，一般为1.2/50μs开路电压，8/20μs短路电流，两者是同一个测试条件

b. TVS电压选型

稳态工作电压要大于输入额定的28V，28V*1.2倍=33.6V，可以选择36V。

c. 脉冲电流和峰值功率计算

标准要求的 1.2/50us 波形条件下测试电流 lpp: 250A，转换为测试峰值功率 P=lpp 测试*Vc=250A*58=14500(W) =14.5 (Kw)。

d. 对照规格书

查找符合上述条件的器件规格书，找到一款器件型号：5.0SMDJ36 符合要求且考虑到一定的降额设计 80%。一般规格书可能会给10/1000us的数据，可以根据表格找对应1.2/50us的。