TVS器件在电磁兼容设计中的应用

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TVS 器件在电磁兼容设计中的应用器件在电磁兼容设计中的应用
陈建明*
（装甲兵工程学院信息工程系；北京；100072）
摘 要： TVS(Transient Voltage Suppressor) 瞬态电压抑制管，在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压具有较好抑制作用。

本文分析了TVS 管的特性及其设计步骤，提出了电源电路中电磁兼容设计的基本方法，并用实例验证了其可行性。

关键词
关键词：电源；电磁兼容；TVS 管 中图分类号中图分类号：：TP211+.5 文献标识码文献标识码：：A Application of TVS Device in Electromagnetic
Compatibility Design
CHEN JianMing
(Dept.of Information Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)
Abstract ：In electric circuit, as long as electric field or magnetic field exists, electromagnetic interference is generated. Electromagnetic wave produces an effect on inner subsystem or other system, and they even do not work, so EMC (electromagnetic compatibility) design must be considered. This paper analyses the characteristics of the TVS(Transient Voltage Suppressor). The design method and computing steps are listed for EMC design in power circuit. Finally, EMC methods are tested by using application cases.
Key words ：Power circuit ； Electromagnetic compatibility ； TVS
0. 引言
自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。

符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI 电路而使得这些装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。

与此同时，大功率家电及办公自动化设备的增多，以及移动通讯、无线网络的广泛应用等，又大大增加了电磁骚扰的发生源。

这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术问题加以关注。

目前全球各地区基本都设置了EMC 相应的市场准入认证，用以保护本地区的电磁环境和本土产品的竞争优势。

如：北美的FCC 、NEBC 认证、欧盟的CE 认证、日本的VCCEI 认证、澳洲的C-tick 认证、台湾的BSMI 认证、中国的3C 认证等都是进入这些市场的“通行证”。

电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰(Electromagnetic Interference)进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性EMC 标准的产品。

EMC 的定义是：在同一电磁环境中，设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作，同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。

在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰，发射的电磁波影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作，因此必需进行电磁兼容设计。

TVS 管在电子系统中的应用非常广泛，本文重点讨论了TVS 管在电源电路中的EMC 设计，这些实例在实际的电路中得到了很好的应用。

*作者简介作者简介：：陈建明（1964-）
，男（汉族），副教授，博士，主要研究方向：信号与信息处理。

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1. 1. TVS TVS 管
瞬态电压抑制管（Transient Voltage Suppressor ，TVS 管），在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压具有较好抑制作用，TVS 管在电路中应并联使用。

1.1 1.1 TVS 管的作用管的作用
TVS 管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10-12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、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

目前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、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。

图1表明当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS 被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态。

因此，TVS 管能抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子线路。

1.2 1.2 TVS TVS 管的主要参数管的主要参数 ① 最大反向漏电流I d 和额定反向关断电压V WM
V WM 是TVS 最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加入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I d 。

② 最小击穿电压V BR 和击穿电流I R
V BR 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（I R ）时，加入TVS 两极间的电压为其最小击穿电压V BR 。

③ 最大箝拉电压V C 和最大峰值脉冲电流I PP
当持续时间20微秒的脉冲峰值电流I PP 流过TVS 时，在其两极间出现的最大峰值电压为V C 。

④ 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。

1.3 1.3 TVS TVS 管的选取计算管的选取计算
① TVS 额定反向关断V WM 应大于或等于被保护电路的最大工作电压。

图1 TVS 管的特性
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② 最小击穿电压V BR = V WM /K BR , (其中：K BR =0.8～0.9)
③ TVS 的最大箝位电压V C 应小于被保护电路的损坏电压。

即：V C = K C ×V BR , (其中：K C =1.3)
④ 在规定的脉冲持续时间内，TVS 的最大峰值脉冲功耗PM 必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。

在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

2. TVS 器件在器件在电源电路中的电磁兼容设计电源电路中的电磁兼容设计电源电路中的电磁兼容设计
在电子产品中，各种干扰往往会通过电源传输给电子设备，从而对这些设备造成危害。

有人对微机系统的失效统计概率可知：微机系统100次故障，其中90次来自电源，10次是微机本身，可见电源的可靠性最重要。

具有良好抗干扰设计的电源，能使用户在产品设计中无需考虑由电源引起的抗干扰问题，大大加快用户的产品开发周期和节约开发成本。

2.1 2.1 交流电路交流电路中的应用中的应用中的应用
下图2是一个微机电源采用TVS 管作线路保护的原理图。

① 在进线的交流220V 处加双向TVS 管D1抑制220V 交流电网中尖峰干扰。

双向TVS 管D1的V WM = 220×1.4 = 308（V ） V BR = 308/0.8 = 385（V ）
V C = 1.3×385 = 500.5（V ）
选取D1时根据上述参数，通过查表即可得到。

② 在变压器进线加上抗干扰滤波器，消除小尖峰干扰。

③ 在变压器输出端交流20V 处又加上双向TVS 管D2，再一次抑制干扰。

双向TVS 管D2的V WM = 20×1.4 = 28（V ） V BR = 28/0.8 = 35（V ）
V C = 1.3×35 = 45.5（V ）
选取D2时根据上述参数，通过查表即可得到。

④ 整流滤波输出直流10V 时还加上单向TVS 管D3抑制干扰。

单向TVS 管D3的V WM = 10（V ） V BR = 10/0.8 = 12.5（V ）
V C = 1.3×12.5 = 16.25（V ）
选取D3时根据上述参数，通过查表即可得到。

通过如上四次抑制，变成所谓的“淨化电源”，为了防雷击等浪涌电压，可在交流220V 进线端加压敏电阻器，更有效地防止干扰进入计算机的CPU 及存储器中，从而提高系统可靠性。

2.2 2.2 DC DC DC--DC 电路电路中的应用中的应用中的应用
下图3是一个直流电源的前级抑制干扰原理图。

图2 微机电源部分原理图
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图3 直流电源部分原理图
图3中KZ 、KF 外接24V 直流电源，YR1为压敏电阻，V mA ＝1.5×24 = 36（V ），用于抗浪涌冲击。

L1、L2、C1和C2构成平衡型LC 滤波器，抑制差模干扰。

L3为共模电感，用于抑制共模干扰。

TVS1用于抑制电快速瞬变脉冲群干扰。

图3中如果“GND”不能通过机壳接地，必需要加TVS2接KF，目的是把瞬变脉冲干扰信号“导”向大地。

通过以上的抗干扰措施，输出的DC24V 就比较干净了，可以后接稳压块等向电子电路供电。

以上两个电源电路已在实际电子电路中使用，效果很好。

2.3 2.3 直流稳压电源模块中的应用直流稳压电源模块中的应用直流稳压电源模块中的应用
图4是一个直流稳压电源，并有扩大电流输出的晶体管，在其稳压输出端加上TVS 管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，保护晶体管。

建议在每个稳压源输出端增加一个TVS
管，可大幅度提高整机应用可靠性。

图4 直流稳压模块电源
3. 结论结论
国内外对电磁环境和干扰的研究工作，多年来一直沿着两个方面并行推进：一是研究器件的噪声物理特性，探索克服元器件噪声的新方法，其成果用于设计和开发具有更高功能的新型电子器件。

另一方面是研究影响电子电路和电子设备电磁兼容的各种因素，总结增强电子设备电磁兼容性的各种方法，其成果用于设计和开发更为理想的电路结构，组装出符合预期应用环境的电子装置、设备和系统。

对于电子线路设计者来说，主要考虑上述的第二方面。

电子线路中的EMC 设计，实际上主要是“堵”和“导”的方法，“堵”的方法是抑制干扰，不让干扰进入系统；“导”的方法是把内部的干扰信号泄露出来。

因此，在实际应用中往往多种方法并用，以提高整个系统的可靠性。

参考文献
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TVS器件在电磁兼容设计中的应用
作者：陈建明
作者单位：装甲兵工程学院信息工程系；北京；100072本文链接：/Conference_7015840.aspx。