BMS电路端口TVS选型要点

一路上

前言

BMS中浪涌防护极为关键，常见端口通讯、DIDO、继电器驱动、电子锁驱动、供电端口等等。

工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件；TVS 有单向与双向之分，单向 TVS 一般应用于直流供电电路，双向 TVS 应用于电压交变的电路。

如图 1 所示，应用于直流电路时单向 TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。

当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。

图1 ：TVS工作原理

关键参数

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必须先了解其关键的参数。

(1) Vrwm截止电压：TVS 的最高工作电压，可连续施加而不引起 TVS 劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，用最高工作电压有效值表示，在 V RWM 下，TVS 认为是不工作的，即是不导通的。换一句话，电路的最高工作电压必须小于Vrwm，否则将会导致TVS动作导致电路异常。

(2)I R 漏电流：漏电流，也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过 TVS 的最大电流。TVS 的漏电流一般是在截止电压下测量，对于某一型号 TVS, I R 应在规定值范围内。对 TVS 两端施加电压值为 V RWM ，从电流表中读出的电流值即为 TVS的漏电流 I R 。对于同功率和同电压的 TVS，在 V RWM ≤10V 时，双向 TVS 漏电流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。对于一些模拟端口，漏电流会影响AD的采样值，所以TVS的漏电流越小越好。

(3)VBR击穿电压击穿电压，指在 V-I 特性曲线上，在规定的脉冲直流电流 I T 或接近发生雪崩的电流条件下测得 TVS 两端的电压。测试的电流It一般选取10mA左右，施加的电流的时间不应超过400ms，以免损坏器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 击穿电压的一个偏差，一般 TVS 为±5%的偏差。测量时，V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之间视为合格品。

(4)I PP峰值脉冲电流 ，V?C?钳位电压峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS 一般选用 10/1000μs 电流波形。钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流 I PP 时，TVS 两端测得的峰值电压。I PP 及 V C 是衡量 TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，这两个参数是相互联系的。对于 TVS 在防雷保护电路中的钳位特性，可以参考 V C 这个参数。对于相同型号 TVS，在相同 I PP 下的V C 越小，说明 TVS 的钳位特性越好。TVS 的耐脉冲电流冲击能力可以参考 I PP ，同型号的 TVS，I PP 越大，耐脉冲电流冲击能力越强。

(5)结电容CI，漏电流Ir结电容是TVS中的寄生电容，在高速IO端口保护需要重点关注，过大的结电容可能会影响信号的质量。漏电流主要带来了功率的损耗，或者是在模拟信号中，会影响AD信号的采样值。

图2 ：厂家提供10/1000μs的测试波形

图3 ：TVS的关键参数

选型过程

选择TVS之前，我们首先要明白选择的终极目标：

1.电压合适能保护后级电路；

2.引入的TVS的结电容不能影响电路；

3.TVS功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先挂。选型的过程可以按照以下的步骤进行：

(1) 选择TVS最高工作电压Vrmw；

(2) 选择TVS钳位电压VC；

(3) 选择TVS的功率；

(4) 评估漏电流IR的影响；

(5) 评估结电容的影响；

A、选择TVS最高工作电压Vrmw；

在电路正常工作情况下，TVS 应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择 Vrwm 时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。综合考虑，Vrwm可以参考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ；其中VCC为电路的最高工作电压。

B、选择选择TVS钳位电压VC；

TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 IPP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高 VC 也越高，所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式：

VC＜Vmax ；其中Vmax为电路能承受的最高电压.

C、选择TVS的功率Pppm（或者Ipp）；

TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高，所以，TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 VC 值是一样的，只是 IPP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。对于某一电路 ，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ，则 Iactual 可估算为：

Iactual=Uactual/Ri；其中 Uactual 为测试电压，Ri为测试内阻。

TVS 要通过测试，故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual 为：其中di/dt为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如 8/20μs波形，建议di/dt取，如测试波形为 10/1000μs，取，实际选型中，TVS 应留有一定的裕量，TVS 的功率Pppm 选择应遵循Pppm＞Pactual。

D、根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响

如果TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

选型举例

数据都是无趣的，我们以实际的案例举例：电路的正常工作电压VCC是24V，最高工作电压Vmax是26V,后级电路可承受的最高瞬态电压为50V，实验的测试波形为 8/20μs波形，测试电压500V，测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。

图4：设计举例

(1) 选择TVS最高工作电压：Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

(2) 选择选择TVS钳位电压：VC＜Vmax=50V

(3) 计算实际测试波形功率：Pact=50*（500/2）*1/3=4166W

根据计算结果，可以选用5.0SMDJ26A这个TVS，由于这个TVS用在电源端口，结电容和漏电流基本可以忽略不计。

图5 ：5.0SMDJ26A TVS关键参数