浪涌吸收器在产品测试中的应用

摘要：在电装车间发生元器件损坏事件，大部分都是因为过电应力损伤、电流过大烧毁、大电压击穿，这些失效模式是典型的浪涌损坏。在此分析了浪涌产生的机理，早期的浪涌吸收器响应时间一般为μs级，不能很好地抑制某些高速浪涌。根据TVS管特性，把它加入到电子产品中可有效抑制高速浪涌的产生，在某军用电子产品中具体做了实验，从脉冲产生的数据表中，可明显看到增加TVS管后，抑制了浪涌产生，保证了产品的测试精度，减少了元器件的损伤，提高了产品的抗干扰能力。
关键词：TVS器件；浪涌；静电保护；干扰

0 引言
    对精度要求极高(稳定性2．5×105)电子产品，装配调试时应将温度、电源、电场、磁场等影响因素降到最小程度。
    由于电装车间的诸多不同仪器设备共用同一电源和地线，在调试、测试高精度产品时，经常发现当开关其他用电设备(如：高温箱、电风扇)时，产品输出数据发生跳变。文献指出“当接通或断开电感负载、继电器的线圈或变压器一侧开关元器件，经常产生开关浪涌电压或电流，尤其以切断空载变压器和继电器最为严重”。浪涌电压或电流是指电路在工作过程中有时出现比正常电压或电流高出很多倍的电压或电流。浪涌电压(电流)的特点是作用时间短，作用电压(电流)大。例如直流6 V的继电器或线圈断电时产生的浪涌电压高达300～600V。
    浪涌的产生有外因也有内因，外部因素主要是供电电源引入，内部因素主要是电路自身断开感性负载(继电器、变压器等)、电容器等。如果电路设计未考虑浪涌对元器件的影响，那么，元器件就处于被浪涌损伤的危险情况。这些年许多电装车间发生数起元件损坏事件，对其中的几个损坏的元件作失效分析，其结果多为：过电应力损伤、电流过大烧毁、大电压击穿，这些失效模式是典型的浪涌损坏结果。
    可见，为了保证产品质量，提高工作效率；避免元器件损坏，节约成本；提高产品可靠性；配合今后生产线改造，适应批量生产形式的需求，研究涌浪电压(电流)产生的深层次机理和如何消除或抑制浪涌电压(电流)是非常重要的。
    经过一段时间的研究和试验，找到了一种比较好的浪涌抑制器件(TVS管)。将该器件加装在某军工产品测试台上，可以有效抑制高温箱开关产生的浪涌影响。为了进一步试验其可靠性，我们已经在某工位安装使用该器件4个月，结果表明这款电子产品测试试验时很少发生跳大数现象。

1 浪涌的抑制方法以及国内外现状
    最常见的浪涌的抑制方法是给电子设备加装浪涌吸收器。如前所述，浪涌作用的时间短(ns或μs级)、量级大(几百到几千V)，这就对浪涌吸收器提出2个要求：响应时间快；短期过载能力强。
    早期浪涌吸收器有：RC滤波器、D型二极管、硒整流器、氧化锌压敏电阻器、雪崩二极管等。这些器件曾得到广泛的应用，但是其响应时间一般为μs级，不能很好地抑制某些高速浪涌。随着电子制造技术的提高，近年来西方出现了一种理想的浪涌吸收器(Transitent Voltage Suppressor Diode，TVS)。TVS能承受瞬时脉冲功率高达上kW，其箝位响应时间仅为1 ps，允许的正向浪涌电流可达50～200A。
    TVS在美国应用十分广泛，特别是在军事电子装备中非常重视，美国军标不仅出版了不少TVS器件的标准，同时在线路应用方面也有军标。如在文献列出不少TVS的应用实例；文献中也谈到了TVS的应用。TVS在国内的应用，正处于推广应用阶段。所以，掌握TVS器件的特点，并将其正确应用，将大大提高产品的可靠性和抗电磁干扰性能。

2 TVS器件的特点与电特性
    TVS器件的特点：在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压抑制到预定水平，从而有效地保护电子线路的精密元器件免受损伤。
    单向TVS的电特性如图1所示，其正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿是典型的PN结雪崩器件。从击穿点到UC值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，器件的电流急剧增加而反向电压则上升到拉电压值，并保持在这一水平上。

    双向TVS的电特性如图2所示，如同2只单向TVS“背靠背”组合，其反正2个方向都具有相同的击穿特性和上拉特性，正反两面击穿电压的对称关系：0．9 V≤V(BR)正／V(BR)反≤1．1 V，一旦加在它两端的干扰电压超过拉电压Vc，就会立即被抑制掉。

    图2中V(BR)：击穿电压；IPP：最大反向脉冲峰值；VC(max)：最大箝位电压；VRWM：最大反向工作电压。

3 TVS器件在电子设备中的应用
    从对电子产品测试的可靠性和精确度，以及TVS器件的电特性两方面考虑，TVS器件在电子设备中的使用如下：
    首先，保护被测电子产品免受浪涌的损伤，提高测试的可靠度。在产品通电过程中，来自外部电源的浪涌，将进入电子线路，可能将元器件损伤。TVS器件能够抑制可能出现的脉冲功率的冲击(见图3)。当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS波击穿，并由击穿电压值上升至最大拉电压值，随着脉冲电流呈指数下降，拉电压也下降，恢复到原来的状态。因此TVS管可以有效地保护电子线路。

    其次，提高抗干扰能力及测试精度。当有瞬变电压进入电子线路后，将影响电子线路的测试结果。
    结合使用的实际情况着重讨论以下几种TVS管的用法：
    (1)TVS在电源浪涌抑制中的应用。据统计：电子系统生产100次故障中，90次来自电源，10次是电子本身，可见电源的可靠性最重要，要提高整机可靠性，首先提高电源的可靠性。对于开关电源来说，影响电源输出的3种瞬变类型为：由负载变化引起的瞬变电压(电感负载)；由电源线引起的瞬变电压；由开关电源内部发生的瞬变电压。由于这些瞬变电压有很大能量，可能引起开关电源的误动作或元器件失效。所以，应该用TVS管保护开关电源中以下元器件：高反压开关晶体管(VMOS)、高压整流器(高压整流二极管)、输出整流器(输出大电流整流二极管)、内部控制电路(脉宽调制器)。
    对于直流稳压电源来说，在每个稳压源输出端和地之间加一个TVS管，可以保护使用该电源的仪器设备，从而大幅度提高整机应用可靠性。
    (2)TVS保护晶体管。各种瞬变电压能使晶体管EB结或CF结击穿而损坏，特别是晶体管集电极由电感性(线圈、变压器、电动机)负载时，会产生高压反电势，往往使晶体管损坏。因为军工电子产品大量使用晶体管，而且多为高精密电路，所以用TVS管保护晶体管，对提高产品抗干扰能力，防止晶体管损坏，有重要意义。
    (3)TVS保护集成电路。由于集成电路集成越来越高，其耐压越来越低，容易受到瞬变电压的冲击而损坏，必须采取保护措施。TVS管可以保护集成运放免受过大电压或电流特别是浪涌和静电脉冲的损伤，具有抑制电磁脉冲干扰、防止感应雷电损坏与元器件等作用。对于大量使用的精密运算放大器，其价格比较高，加入TVS保护后可以降低损坏风险，提高系统抗干扰能力和强度。
    目前，大多公司使用了较多的厚膜二次集成电路，此类型集成电路在使用过程中多有损坏现象发生，为此，笔者认为采用TVS管保护厚膜二次集成电路模块，以提高其抗浪涌能力是一个亟待试验的课题。

4 TVS管在产品测试中的使用情况
    如前所述某产品对高温箱的开关很敏感，为了避免高温箱开关对某产品测试的影响，进行如下试验：
    (1)没有TVS管时的情况：某产品在零位上稳定性测试过程中，在开关高温箱的瞬时，由于高温箱的电感性，产生瞬时脉冲电压，直接影响到产品的精度测试。再多次试验中均可以观测到相同现象。
    (2)有TVS管时的情况：给产品的供电电源经检测设备增加一个TVS管后，启动产品测试程序，人为开关高温箱，测试数据表1所示。由表中数据可以看出，测试设备增加TVS管后，输出数据稳定，无明显异常跳变，产品抗干扰能力增加。

5 结语
    TVS管是一种价钱低(1支仅1元左右)、体积小(和普通二极管相同)、使用方便的浪涌吸收器。另外，TVS管还可以防止电源反接损坏电路中的元器件。在测试过程中，存在电源接反的可能性，如果在测试设备的电源输入端增加TVS管，当电源接反时，反向电源将流过TVS管而不进入产品。
    浪涌的抑制是多方面的，必须通过设计单位和生产单位共同解决。如果设计人员在早期的电路设计中，考虑到防止浪涌对元器件的损坏，给需要保护的元器件增加TVS管，将会大大减少调试过程中元器件的损伤。在后期的产品调试中，从测试设备方面来讲，必须考虑到抑制浪涌。其次车间电网的合理接地，干扰源(如高温箱)与测试设备使用的稳压源分离等，都可以对浪涌产生一定的抑制。综上所述，合理的使用TVS管，对保护电子设备中的元器件以及提高电子设备的测试精度和可靠性有重要意义。目前，TVS管在电路中的作用越来越被重视，其使用将很快在国内普及。