硅瞬态抑制器件应用
硅 瞬 态 抑 制 器 件 应 用
1 硅瞬态抑制器件应用的基本原则
通信电路中
静电
除采用阻容元件和二级管构成的常规保护网络外
气体放电管
热敏电阻等进行保护
保护器件主要通过对进入器件或电路的干扰电压进行限幅对干扰能
量进行旁路等措施
根据过压
线路可分别采用以下几种保护器件
可使用TVS 器件
ESD
电快速瞬变脉冲
Lighting
?éê1ó?SM16LC05C
PSOT05C 等TVS 集成或分立器件实现对ESD 敏感器件的保护
C j
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רó??ˉ3é?2ì?μ??1ò????÷?tè?
TPN3021U
口
TISP61089
?ú?à??·à?¤μ??·?Dò?°???óú?D????±￡?¤
高低
几百
1.1 应用的基本原则
硅瞬态抑制器件的应用应综合瞬态脉冲功率
封装参数多方面因素考虑
一般应遵循以下原则
确定线路的参考防护标准电快速瞬变脉冲
静电放电ＩＥＣ
雷击浪涌防护
用户端
YD/T
à×?÷à?ó?·à?¤
雷击浪涌防护
局端
中继线
根据防护标准确定被保护接口/点参数评估防护等级
根据被保护设备使用环境和防护标准确定被保护接口/点防护等级正确选择保护器件
确认保护器件参数是否符合防护电路等级的设计要求电路设计和PCB
布线
设计确保防护器件与地之间构成最小阻抗回路电路性能验证进行功能
EMC
1.2 硅瞬态抑制器件分类及主要参数
从管芯结构上
具有固定电压的硅瞬态电压抑制二极管
和非固定电压的晶闸管结构瞬态抑制器件
TVS
?üà?ó??÷?tμ?·???D?ì?D???1yμ??1?ˉ??μ?ò?????μí?μêμ????oó??
μ??·μ?±￡?¤??íaD?ó???í¨?è?1?t??1ü?à
í?μ±TVS 管两端经受瞬间高能量冲击时
ps
°???á?????μ?μ??1óé???úò????¤?¨μ?êy?μé?
TVS
管电性能主要取决于PN 结区面积
其功率容量与结面积成正比
可应用于单路及多路保护线路
a
b c d
1.
图中a b c
TVS器件主要参数如图2所示
2. TVS器件IV特性图
图中TVS正向偏置时表现出正常的二极管IV特性其参数如下
反向转折电压
V RWM对应反向漏电流I Rμ±TVS端电压低于V RWM时器件对被保护线路表现出高阻抗
2V BR
??á???μ?μ??1?aV BR?÷?t
??μ?113éμí×è???·2aê?μ?á÷的典型值为1mA或10mA
峰值脉冲电流与箝位电压
V C-I PP是TVS管最重要的一组参数,它反映了TVS器件的浪涌抑制能力
管中流过的大电流随时间以指数形式衰减当TVS中流过峰值为I
PP的大电流时值时就不再升高当电流由I PP衰减到一定值后值开始下降
峰值脉冲电流一般可通过8/20us或10/1000us的波形来测定
结电容
对电源线保护可以不考虑器件结电容影响信号线上应用时
此外减小PN结区面积在实际应用中应综合考虑器件结电容和浪涌功率抑制能力两方面因素的影响
V D=0V1MHz
1.2.2晶闸管瞬态抑制器件
ＴＳＳ基本结构为PNPN四层构造的固态半导体器件TSS的工作原理与气体放电管类似当TSS两端的过电压超过TSS的击穿电压时
之后TSS持续这种短路状态
TSS才恢复开路状态TSS的结压降很小
如ADSL等其保护通流量比TVS大
TSS参数如图3所示
3. TSS器件IV特性图
1V DRM
I DRM TSS端电压小于V DRM时器件对线路表现低阻抗
击穿电压
对应击穿电流I BOíê3é±￡?¤?ˉ×÷
维持电流
晶闸管钳位状态时的稳态电流
4I TSP
3￡ó?8/20s波形来进行测试
结电容
典型测试值１ＭＨｚ0V
反向工作电压钳位电压
各种瞬态干扰源的电参数参考值如下表
b
b
b
瞬态抑制器件选用一般遵循以下原则
器件反向转折电压不低于电路的正常工作电压
器件最大箝位电压不大于电路的最大安全电压
器件最大允许脉冲功率必须大于电路中可能出现的瞬态脉冲功率
器件结电容值符合相应接口线路信号频率传输特性的要求
V BR
?÷?t??μ?113éμí×è???·?÷′?μ??1V BR的设计要求如下
min 1.8
min 1.2
min
1.3.2钳位电压
器件数据手册一般定义最大峰值浪涌波形时的钳位电压
V
CMAX V BR V C I P V C可由下式确定
I PP为最大峰值脉冲电流若I P=I PP
线路设计要求最大钳位电压不大于电路的最大可能电压则可近似看作1.25倍V C MIN V C MAX
在100%额定功率下 1.33V BR????V C
1.3.3峰值脉冲功率
瞬时脉冲功率由下式决定
P
P M=I PP%V C
因此TVS所能承受的峰值脉冲电流愈大峰值脉冲功率确定以后将随着箝位电压的降低而增加
即所要求的箝位电压则器件允许承受更大的峰值脉冲电流
表示为一般箝位因子仅1.2~1.4
?1ó???3?2¨D?
??óú2?í?μ???3?2¨D?
K$V C$I PP
式中K为功率系数
(
图4为最大允许脉冲功率和脉冲时间的关系曲线
典型的脉冲持续时间为1ms
图4. 脉冲功率与脉冲时间关系图
图5为最大允许脉冲功率随器件温度增高的降额曲线当器件温度超过25最大允许脉冲功率呈线性下降时
图5. 脉冲功率与器件温度关系图
最大允许脉冲功率随脉冲持续时间因此
1.3.4结电容
较大的寄生电容将引起信号频率特性衰变
图6. TVS结电容与线路传输比特率对应关系表
由图中可看出保护器件结电容值应小于曲线给定的参考值
近似值
ＢＲＩ
Ｔ１
Ｔ２
现象ＰＯＴＳ侧分别使用TSS接保护地实际测试中发现增加了TSS后对VDSL线路的性能有一定的影响
某些情况下可以使速率下降一个数量级去掉TVS管后测试现象消除
该保护电路移植了ADSL应用击穿电压350V
钳位电流500A电力线碰触又不会造成TSS误动作的要求
达十几Mbps而且TVS的差分电容为67pF
óéóúTVS等效结电容较大的影响使VDSL的传输速率降低
高速信号的传输接口需要考虑高频工作环境下过压保护器件对其的影响
实际线路的测试要求保护器件等效结电容小于50pF
?32ú?·?÷μ￥°??Dμ?RS-485接口防护电路各不相同瞬态抑制二极管靠近芯片放置瞬态抑制二极管靠近接口放置
没有加限流电阻技术人员之间各执一词
分析发现第一种形式的防护电路
就把电阻打坏第二种形式的防护电路才把TVS管打短路第三种形式的防护电路
TVS管的失效形式为短路再对接口施加浪涌电压
结论不同保护线路中限流
电阻靠近芯片放置
在XX产品的机框满配置中
在拨出一两个其它PBU模块后该模块才能实现加载和配置功能
模块由于接口总线信号恶化而导致问题信号总线不匹配是因为总线接口浪涌防护的TVS管寄生电容过大６
ｘ ４００ｐＦ可通过选用寄生电容较小的TVS管
2.4结电容引起通信中断
现象422输出芯片为26C31在26C31的差分信号输出端串接电阻从试验结果和市场的
反映来看但在某些环境出现了接口卡和单板通讯中断的现象
采用分立封装的瞬态抑制二极管由于结间电容偏大
导致通讯中断在采用同步串口通讯的情况下DIP封装或表面贴封装的同类TVS器件二十pF20ns
2.5不共地引起信号畸变
现象发现部分基站与该单板通信异常故障现象很不稳定最终表现为U口频繁复位
观察基站与该单板U口线上的信号波形不同单板表现不一样可明显看到HDB3码的波形在正负方向上幅度不一致
其内部原理大致如下
图30. LCP1511原理图
从原理可以看出正电压钳制在 0.7V以内
通过引入板内的 -75V做编程电压因此
超过钳制电压的波形部分被削在某些情况下便发生通信异常
BGND DGND?ì3éá?μ???′??ú?12?
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电路设计中造成两个地间存在压差