【干货分享】TVS用于常规过压保护

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作者：阿甘，排版：晓宇

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导语

上一篇文章 TVS选型，让老人新人都能得心应手！我们介绍了如何通过理论计算选择合适的TVS，TVS主要是防止瞬间过压，因为他的名字就叫瞬态二极管（Transient Voltage Suppressor）。看过该文章的读者留言，问能不能用于普通的过压保护，比如说接错电压这种长时间过压，如果能够实现，一个几毛钱的TVS就搞定了过压，相比以往使用的可控硅、MOSFET、选择带过压保护的芯片等传统过压防护的方式，性价比高到爆棚。没办法，为了讨好读者，各种奇葩需求我们都得满足，但是适用范围十分有限，本文就通过理论计算和实测，介绍如何利用TVS进行非常规的应用：TVS用于常规过压保护。

一、 TVS过压保护的原理

设备的端口的工作电压超过了TVS的最高击穿电压，TVS可以看成一个低阻抗的电阻，流过的电流非常大，电阻不断发热，如果没有其他措施，这个TVS很快就会挂掉（不会超过5S），失效的TVS大概率变成了开路，后级的电路仍然处于没有保护之中。聪明的读者就想到，在TVS前面加一个保险管，在TVS挂掉前，保险管先失效断路，就可以保护TVS和后级电路，如果换成自恢复保险管，故障排除后就可以自行恢复正常工作，连保险都不用更换了。PPTC 由高分子基体材料及导电微粒组成。当有异常过电流通过 PPTC 时，产生的热量（为 I ² R）使高分子基体材料膨胀，包裹在高分子基体材料外的导电微粒会分开从而切断PPTC的导电通道使PPTC电阻上升，几乎达到断路的状态。当异常过电流故障清除后，PPTC 高分子基体材料收缩至原来的形状重新将导电微粒连结起来，导电通道会恢复，PPTC 电阻又恢复到原来的低阻状态。上述过程可循环多次。

图1：TVS用于防止过压保护的工作原理

二、 TVS用于常规过压保护的局限性

TVS是专门用于瞬间过压保护的，如果要用于常规的过压保护，例如串口线不小心接到24V电源上，这种常规应用是有局限性的，本文先说结论，原因在文章的末尾，局限如下：

1）只能用于小电流的信号电路，例如RS485、串口等，电流不超过0.2A；

2）只能用于低速信号，不能用于高速信号，速率小于1Mbps；

三、 TVS用于低速小信号的原理说明。

TVS用于低速小信号的说明，如下图2是RS485的过压保护电路，RS485芯片的工作电压一般是5V，能够承受的极限电压一般是12V，但是设备的工作电压一般是12V或者24V，如果误将24V电源电压接到AB线上且没有过压保护，大概率485芯片会物理损坏，，一般的TVS根本无法应付长时间的过压，不到0.5S TVS就会因过热烧毁，后级电路就会失去保护。

图2 ：常规的RS485 保护电路

但是，如果在TVS的前面增加自恢复的PTC，且PTC的跳闸时间足够短，并且TVS的钳位电压Vc＜电路最高工作电压VCC，在TVS烧毁之前PTC跳闸，就可以实现后级电路的保护。

图3 ：PTC和TVS配合用于低速小信号端口过压保护

四、 理论计算过程

TVS的选型计算我们在上一篇文章 TVS选型，让老人新人都能得心应手！中已经详细介绍。本文的理论计算主要是针对图3的TVS和PPTC配合使用时的计算过程。

(1) 保护实现的前提条件

当外加电压达到TVS的击穿电压时，TVS开始导通，阻抗变低，流过的电流不断增大。随着电流的不断增大，PPTC的阻抗不断增大，不断发热，最终PPTC变成断路失效，整个后级电路得以保护。所以要实现电路保护，需要2个前提：

1）；TVS的功率足够大，大到可以坚持到PPTC断路；

2）；PPTC的动作时间要足够小，小到要在TVS失效前动作。

(2) PPTC选型：

用于过压保护时，PPTC的选型需要满足以下几个条件：

1) 持续电流Ihold＞ 电路最大工作电流 Iwork。

2) 最大动作时间Trip越短越好，如 SMD1812B020TF，当通过 PPTC 的电流为 8A 时，PPTC 的动作时间应不大于 0.02s。

3) 最大过载电流Imax，工作温度范围内 PPTC 不能超过的电流值，超过PPTC很大概率会永久性损坏；

4) 最大工作电压Vmax，工作温度范围内 PPTC 不能超过的最大工作电压值，超过PPTC很大概率会永久性损坏；

(3) TVS选型：

由于标题三已经对电路进行了限制，只能用于小电流和低速信号，常规过压保护时，TVS的选型要求如下：

1) TVS的具体选型读者可以参考上一篇文章《一文精通TVS选型》，本文不再重复。

2) 计算TVS可承受最大的热量Qtvs=P*t=P/1000。（规格书给出的一般是1000uS下的功率，除以1000是转换为单位S）。

3) 计算所选的TVS实际的工作热量：Qact=Vc*Itrip*Tptc。

----Vc：TVS的钳位电压；

----Itrip：PTC保险的跳闸电流

----Tptc：跳闸电流下的跳闸时间。

4) TVS的可承受热量实际选型Qtvs＞理论计算Qact；

五、 设计举例

如下图4，PTC和TVS配合用于RS485过压保护，设备的供电电压是24V，RS485芯片选用MAX488，正常工作电压5V，最高可承受12V，正常工作电流＜1mA。选择合适的PTC和TVS。

图4：PTC和TVS配合用于RS485保护

(1) PTC选型：

由于RS485的工作电流非常小，PTC电流选择最小的即可，关键参数是跳闸时间Trip，Trip越小越好，越小跳闸时间越短，对TVS的功率要求越低，封装越小，成本越低。经过选型，SMD1812B020TF电流和电压满足要求，跳闸时间Trip是最短的，为0.02S。

(2) TVS选型：

1) TVS电压选型：

由于RS485的工作电压VCC为5V，极限电压为12V，因此TVS的工作电压Vrwm≥5V，钳位电压≤12V；可以预选SMBJ5.0A。Vrwm=5V，Vc=9.2V。

2) TVS的功率选型：

a. 估算实际TVS需要承受的热量

假设TVS工作在最大钳位电压，流过的电流为保险管的跳闸电流：

Qact=P*t=U*I*t=Vc*I trip*Tptc=9.2V*8*0.02S=1.472J

b. 估算实际TVS的实际功率

由于厂家给出的TVS测试的功率都是在1uS的脉冲宽度下测量的，因此需要将上述的估算的热量折算为1uS时对应的TVS的功率。

Ptvs＞Qact/1us=1.472J/1uS=1472W。

换算成峰值电流为：Ipp=P/Vc=1472W/9.2V=160A。

因此，最终TVS选择Vc=9.2V，Ipp=163的SMCJ5.0A。有的读者认为上述的计算过程没有降额，实际上上述的计算过程基本都是按照极端的情况，忽略了PTC随着温度升高的电阻指数型增加，PTC上的电阻会分担很大一部分电压，到后期PTC濒临断路，TVS的承受压降几乎为零。因此不但不用降额，甚至TVS的功率可以选择乘以实际计算的0.5~0.8系数。

六、 总结

小信号问题，经过上述的推理论证，我们再回到标题二的两个问题，TVS用于常规过压的两个局限性：低速和小信号。小信号比较好理解，我们电路用的是正常电流0.2A的PTC，但是选用的是160A的TVS，比例接近800倍，不可想象，如果用一个2A的PTC电源端口，TVS的功率需要超过15KW，售价接近10元，这个成本几乎是没人能接受的。当然本文的方案选择了PTC，PTC由于是自恢复，故障去除后又可以正常工作，避免了频繁更换的烦恼，但是PTC的跳闸时间较长，同等是0.2A的玻封保险管，电路达到8A的时候，几乎是10mS以内就可以跳闸，而PTC最短是200mS，这就导致了TVS的功率必须选得更大，以坚持到PTC跳闸（PTC要比TVS先失效 才能起保护作用）。

低速的问题，一般的TVS的结电容为几十pF到数百pF，同功率等级，TVS电压越低，结电容越大，在小信号端口使用的功率TVS，除非是低电容的TVS，常规的功率TVS结电容都会在几十pF。因此小信号的速率不能过高，最好不要超过1Mbps。

精确度问题，上文提到，计算过程基本都是估算的，这是因为TVS和PTC属于电压和电流敏感型器件，失效模式都是热失效，细心的读者会发现，厂家的TVS手册提供的电压、电流、温度等关系，都是给出一个大概的曲线图，都没有给出精确的计算公式。本文计算时虽然使用了精确的公式，但是都是极端情况下的，实际选用的TVS可以比计算值乘以系数0.5~0.8问题都不大，具体以实物测试为准。例如上例计算选择160A的TVS，实测使用100A的也能满足要求。

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