Semtech TVS 峰值脈衝功率 vs. 脈衝持續時間

TVS 二極體的峰值脈衝功率 (Ppp) 額定值是指在特定脈衝條件下，元件瞬間所消散的功率。峰值脈衝功率的額定值可透過以下公式計算：

Ppp = Vc x Ipp

Ppp = Peak pulse power (W)

Vc = Clamping Voltage (V)

Ipp = Peak pulse current (A)

常見的峰值脈衝功率額定值通常以 8/20us 和 10/1000us 的雙指數脈衝波形給出，如下圖 1

Lightning Waveform 圖 1

許多應用會指定不同的浪湧脈衝寬度，範圍可從幾個奈秒到幾個毫秒不等。為了確定 TVS 元件對應不同脈衝寬度的功率處理能力，元件數據表上會包含一個峰值脈衝功率與脈衝寬度的曲線圖。以下圖 2 所示，為一個額定為 1500W（10/1000us）的元件的範例。隨著浪湧脈衝寬度減小，元件的峰值脈衝功率能力呈對數增長。此外，對於較短的脈衝寬度，TVS 可以承受更高的峰值脈衝電流。例如，對於一個 1.2/50us 的脈衝波形（根據 IEC 61000-4-5），其峰值功率處理能力為 6kW，是 1000us 額定值的 4 倍。峰值電流處理能力也大約增加了四倍。反之，隨著浪湧脈衝寬度的增加，元件的峰值功率和電流處理能力則會降低。

下方圖 2 的曲線適用於非重複的雙指數波形。若要確定元件對方波脈衝的處理能力，需將峰值指數值降至 66%。若為半正弦波脈衝，則降至 75%。

圖 2

我們拿一份 Semtech Datasheet 來參考，例如 Rclamp3304N
可以看到 Rclamp3304N 的 Peak Pulse Power (tp = 8/20us) 為 450 W

圖 3

如下方圖 4 可以看到最大的 Vc 跟 Ipp 數值

Vc = Clamping Voltage (V) 18V

Ipp = Peak pulse current (A) 25A

Ppp = Peak pulse power (W)

Ppp = Vc x Ipp = 18V x 25A = 450W

圖 4

如下圖 5
紅色為當此件應用於 8/20us 的功率為 450W
藍色為當此件應用於 10/1000us 的功率 60W

圖 5

總結：

1. TVS 二極體的峰值脈衝功率 (Ppp) 額定值代表元件在特定脈衝條件下瞬間能夠消散的功率，計算公式為 Ppp = Vc x Ipp，其中 Vc 為鉗位電壓，Ipp 為峰值脈衝電流。
2. 常見的脈衝波形有 8/20us 和 10/1000us。隨著脈衝寬度的減少，TVS 的功率處理能力會呈對數增長，且可以承受更高的峰值脈衝電流。

FAQ

1.問：在選擇單向和雙向TVS保護元件之間，您應該如何做出決定呢？

單雙向TVS皆可保護正負的突波，主要為取決於訊號是否有正負的工作電壓，若有正負工作電壓的環境就需要使用雙向TVS，一般直流電或是只有正壓的訊號線可以使用單向或是雙向TVS皆可。

2.問：為什麼挑選靜電放電（ESD）保護元件的電容值重要？

TVS的半導體接合面會有寄生電容產生，若為DC直流環境，此電容影響是非常小的，但是應用於高速訊號線時，訊號在變化中電容會影響訊號的上升及下降波形，當波形變化太大對於接受端就會無法判別準位，因此需要選擇寄生電容小的TVS。

3.問：是否可以將多個靜電保護元件並聯或串連以提供更好的保護效果？

將多個靜電保護元件並聯使用（並聯保護）可以提供更好的保護效果。這是因為並聯保護會將靜電放電能量分散到多個保護元件，從而降低每個元件上的電壓，提高整體保護效率。相比之下，將多個靜電保護元件串聯使用（串聯保護）會增加串聯電阻並提高箝位電壓。這樣做可能會導致過多的電流落在被保護的元件上，從而降低了其保護能力，反而可能對敏感元件造成損害。

4.問：選擇保護元件時如何選TVS的工作電壓？

「Reverse Stand-Off Voltage」是指TVS（Transient Voltage Suppressor）保護元件的反向截止電壓。這是保護元件在正常工作狀態下可以承受的最大反向電壓，也就是它的反向偏壓。當電路中的反向電壓低於這個值時，保護元件不會導通，不會影響電路的正常運作。這個參數在選擇TVS保護元件時非常重要，特別是在應對過壓保護的情況下。選擇的反向耐壓電壓必須高於電路中可能出現的最大反向電壓，同時又不能太高，以避免影響正常操作。

例如，如果您的電路最大的反向電壓是12伏特，您可以選擇一個反向耐壓電壓稍高於12伏特的TVS保護元件。這樣，當出現一些小的反向過壓時，保護元件不會導通。然而，當出現超過12伏特的反向過壓時，保護元件會迅速導通，將多餘的電壓引導到地，防止過電壓對電路造成損害。總之，理解並選擇適當的TVS保護元件的反向耐壓電壓是確保電路在遭受反向過壓時能夠得到適當保護的重要一環。

5.問：如何選擇適合的靜電保護元件？

選擇適合的靜電保護元件需要考慮多個因素，以確保它能夠有效地保護您的電路免受靜電放電和過電壓的影響。以下是選擇靜電保護元件的一些建議步驟：

1. 了解應用需求：首先，確定您的應用的需求。考慮您需要保護的工作環境，例如溼度的高低，使用的頻繁度等，都與需要保護的等級有關係。
2. 確定保護位置：確定保護元件應該放置在電路中的哪個位置。通常情況下，保護元件應該位於電路接口處、輸入/輸出端口，以及敏感元件周圍。
3. 選擇元件類型：靜電保護元件有多種類型，包括TVS二極管、Varistor、Gas Discharge Tube等。根據您的應用需求，選擇最適合的元件類型。
4. 工作電壓範圍：根據您的應用的最大操作電壓，選擇具有適當工作電壓範圍的保護元件。
5. 過電壓保護等級：選擇一個適當的過電壓保護等級，即保護元件導通時的電壓。這應該在不影響電路性能的情況下提供足夠的保護。
6. 最大耐電流：確保保護元件可以承受可能的瞬態過電流。
7. 反應速度： 不同的保護元件對過電壓的應對速度可能不同。根據您的應用，選擇適合的應對速度。