瞬态电压浪涌抑制器(瞬态电压抑制器原理)

1. 瞬态电压抑制器原理

TVS管是一种常见的浪涌抑制元件，它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小，及钳位电压容易控制等多个优点。

TVS管进行浪涌抑制的原理是：当它受到反向高能量冲击时，它能以极快的速度（可达10-12 s级），将其两极间的阻抗由高变低，使两极间的电压钳位于可接受的范围，从而有效的保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS（瞬态电压抑制器）是电路保护元器件，它们除用过压保护外，也是静电放电（ESD）保护元件。

2. 瞬态抑制电路

回答这个问题之前，先来普及下TVS瞬态抑制二极管的命名法则：主要由三部分构成：系列名+电压值+单/双向符号比如东沃电子3KP33CA，其中3KP指的是系列名，前面数字3代表的是峰值脉冲功率3000W；33指的是最大工作电压，CA表示的是双向。

3. 瞬态电压抑制器原理图解

TVS TVS 即瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor） 1、概述： TVS管是瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor）的简称。

它的特点是：响应速度特别快（为ns级）；耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差，其10/1000μs波脉冲功率从400W～30KW，脉冲峰值电流从0.52A～544A；击穿电压有从6.8V～550V的系列值，便于各种不同电压的电路使用。2、特性： TVS管有单向与双向之分，单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联，其主要特性参数有： ①反向断态电压(截止电压)VRWM与反向漏电流IR：反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。②击穿电压VBR：TVS管通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。③脉冲峰值电流IPP：TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。④最大箝位电压VC：TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。⑤脉冲峰值功率Pm：脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积，即Pm=IPP*VC。⑥稳态功率P0：TVS管也可以作稳压二极管用，这时要使用稳态功率。⑦极间电容Cj：与压敏电阻一样，TVS管的极间电容Cj也较大，且单向的比双向的大，功率越大的电容也越大。瞬态抑制二极管（TransientVoltageSuppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表（电度表），RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。TVS:广东南方电视台于2001年12月20日正式开播，是国内最年轻的省级电视传播机构。

4. 继电器瞬态抑制电路

1、线圈使用电压

线圈使用电压在设计上最好按额定电压选择，若不能，可参考温升曲线选择。使用任何小于额定工作电压的线圈电压将会影响继电器的工作。注意线圈工作电压是指加到线圈引出端之间的电压，特别是用放大电路来激励线圈务必保证线圈两个引出端间的电压值。反之超过最高额定工作电压时也会影响产品性能，过高的工作电压会使线圈温升过高，特别是在高温下，温升过高会使绝缘材料受到损伤，也会影响到继电器的工作安全。对磁保持继电器，激励（或复归）脉宽应不小于吸合（或复归）时间的 3 倍，否则产品会处于中位状态。用固态器件来激励线圈时，其器件耐压至少在 80V 以上，且漏电流要足够小，以确保继电器的释放。

2、瞬态抑制

继电器线圈断电瞬间，线圈上可产生高于线圈额定工作电压值 30 倍以上的反峰电压，对电子线路有极大的危害，通常采用并联瞬态抑制（又叫削峰）二极管或电阻的方法加以抑制，使反峰电压不超过 50V ，但并联二极管会延长继电器的释放时间 3~5 倍。当释放时间要求高时，可在二极管一端串接一个合适的电阻。

激励电源：在 110% 额定电流下，电源调整率 ≤ 10% （或输出阻抗 <5% 的线圈阻抗），直流电源的波纹电压应 <5% 。交流波形为正弦波，波形系数应在 0.95~1.25 之间，波形失真应在± 10% 以内，频率变化应在± 1Hz 或规定频率的± 1% 之内（取较大值）。其输出功率不小于线圈功耗。

3、多个继电器的并联和串联供电

多个继电器并联供电时，反峰电压高（即电感大）的继电器会向反峰电压低的继电器放电，其释放时间会延长，因此最好每个继电器分别控制后再并联才能消除相互影响。

不同线圈电阻和功耗的继电器不要串联供电使用，否则串联回路中线圈电流大的继电器不能可靠工作。只有同规格型号的继电器可以串联供电，但反峰电压会提高，应给予抑制。可以按分压比串联电阻来承受供电电压高出继电器的线圈额定电压的那部分电压。

4、触点负载

加到触点上的负载应符合触点的额定负载和性质，不按额定负载大小（或范围）和性质施加负载往往容易出现问题。只适合直流负载的产品不应用于交流场合。能可靠切换 10A 负载的继电器，在低电平负载（小于 10 m A × 6A ）或干电路下不一定能可靠工作。能切换单相交流电源的继电器不一定适合切换两个不同步的单相交流负载；只规定切换交流 50Hz （或 60Hz ）的产品不应用来切换 400Hz 的交流负载。

5、触点并联和串联

触点并联使用不能提高其负载电流，因为继电器多组触点动作的绝对不同时性，即仍然是一组触点在切换提高后的负载，很容易使触点损坏而不接触或熔焊而不能断开。触点并联对“断”失误可以降低失效率，但对“粘”失误则相反。由于触点失误以“断”失误为主要失效模式，故并联对提高可靠性应予肯定，可使用于设备的关键部位。但使用电压不要高于线圈最大工作电压，也不要低于额定电压的 90% ，否则会危及线圈寿命和使用可靠性。触点串联能够提高其负载电压 ，提高的倍数即为串联触点的组数。触点串联对“粘”失误可以提高其可靠性，但对“断”失误则相反。总之，利用冗余技术来提高触点工作可靠性时，务必注意负载性质、大小及失效模式。

6、切换速率

继电器切换速率应不高于其 10 倍动作时间和释放时间之和的倒数（次 /s ），否则继电器触点不能稳定接通。磁保持应在继电器技术标准规定的脉冲宽度下使用，否则有可能损坏线圈。

5. 瞬态电压抑制器作用

(1)阻容元件。

通过在每条信号线上接入阻容元件的方式，可以起到一定的PCB屏蔽作用。

串联电阻能够抑制瞬间的峰值电流，并联接地的电容则能限制瞬间的峰值电压。

(2)钳位二极管。

通过两只二极管可以将正、负极性之间的瞬态电压钳制在一定的范围内，再加上串联电阻提供功率负载的作用，从而起到正负极性的PCB防护。

(3)稳压二极管。

虽然稳压二极管不是专门针对PCB的设计应用，但它的工作特性决定了它具有一定的正负极性PCB防护作用。

它的缺点是。N结较小，故不能承受较大的峰值电流，此外，它所产生的寄生电容较大，有可能影响电路的正常运行。

(4)瞬态电压抑制器。

瞬态电压抑制器又称TVS管，是针对PCB保护专门设计的一种固态二极管。

TVS管的最大特点是响应时间短、漏电流很小，是理想的保护器件。

(5)气体放电管(GDT)。

气体放电管采用具有一定气密性的玻璃或陶瓷作为外壳。

管内充满如氖或氩的稳定气体，以保持一定的绝缘状态。

气体放电管的优点是绝缘电阻大、寄生电容很小，可自行恢复，但缺点是响应速度和寿命均不够理想，且电性能会随时间变化而逐渐衰减。

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