1. 引言
在电子设计中，浪涌通常是指在电源接通关断时，电路中突然出现的超出正常范围的尖脉冲干扰，它可能使电路在浪涌的瞬间烧坏，如电容击穿等[1]-[3]。如今，科技迅速发展，集成电路集成化趋势不断加强，耐压性不断被弱化，被瞬变电压损坏的问题常常出现[4]。由于直流电源在使用过程中随时会受到外界干扰，在电源端更应做好浪涌保护[5] [6]，传统的浪涌保护电路是在电源端串入功率电阻或有稳压限流电路，但无法有效抑制浪涌电压，因此浪涌保护电路越来越多地应用在各种电路中。当电气回路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护电路能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害[7] [8]。
本文从具体应用实例入手，针对测试电路过程中钽电容的损坏问题，对测试台进行失效分析，得出结论为电源开关过程中浪涌电压过高，超过钽电容耐压值造成钽电容烧毁。在前述分析的基础上，提出了“TVS瞬间泄放大电流”和“电容通过电荷存储功能抑制瞬态电压”两种抑制电路中尖脉冲干扰的方法，并进行实验验证，对TVS管的选型与应用进行了实际测试，最终，设计了一种基于TVS管和电容的浪涌保护电路，通过设计实例解决测试过程中浪涌问题对电路造成的损害。
2. TVS管选型
2.1. TVS管的选型方法
TVS是一种高效的电路保护器件，与被保护线路并联。电路正常时，TVS处于截止状态，TVS两端呈高阻态，由于并联，不影响电路正常工作；当电路中瞬时电压超过正常电压，即TVS管的导通电压后，能在极短的时间内把TVS两端间的阻抗由高阻抗变为低阻抗，能快速泄流，同时将异常电压钳制在安全电压范围内，从而避免被保护线路受到大电流冲击而损毁。
在实际选用和应用中，主要考虑了以下参数：反向截止电压、击穿电压、最大箝位电压、漏电流、峰值脉冲电流、极性。具体参数意义如下：
1) 反向截止电压Vrwm：TVS管在电路正常工作状态不导通时所能承受的最大电压，此电压应不小于工作电路的正常工作电压。
2) 漏电流Ir：在正常工作电压下，流过TVS管的最大电流。
3) 击穿电压Vbr：当TVS管中流过1 mA电流IR时，TVS管两端的电压为最小击穿电压。击穿电压为TVS管开始工作时的电压，正常情况下Vrwm = (0.8~0.9) Vbr。
4) 峰值脉冲电流Ipp：TVS在反向工作时特定波形条件下允许通过的最大脉冲峰值电流。
5) 箝位电压Vc：峰值脉冲电流Ipp流过TVS管并持续20 ms时，TVS两端测得的峰值电压。在选型时要保证Vc小于被保护电路最大安全工作电压。正常情况下Vc = (1.2~1.4) Vbr。
6) 最大峰值脉冲功耗Pm：最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积，是TVS能承受的最大功率，Pm越大，承受浪涌能力越强。
7) 极性：TVS分为单极性和双极性，一般情况下，型号中以A结尾的代表单极性，以CA结尾的代表双极性。单极型TVS管适用于直流电路，利用反向特性可以防护单向传来的冲击电流，如图1所示。双极型TVS管适用于交流电路和差分信号，可以防护从相反方向的冲击电流，如图2所示。在直流电源设备接口处可使用双向TVS，避免反接造成的TVS过流失效。
Figure 1. Unipolar TVS diodes
图1. 单极型TVS管
Figure 2. Bipolar TVS diodes
图2. 双极型TVS管
2.2. TVS管的选型结果
测试台工作电压为20 V，被保护负载最大安全电压为25 V。TVS管导通后为低阻抗，电路中浪涌电压、浪涌电流可从TVS管流向地，对后续电路起保护作用。此时，反向截止电压应大于20 V，TVS管两端电压为箝位电压，电流为峰值脉冲电流Ipp，箝位电压应小于最大安全电压25 V。TVS管两端箝位电压受电流大小影响，一般不会达到最大箝位电压，所以选型时箝位电压的选择要大于最大安全电压25 V。
TVS管测试原理如图3所示，用20 w/20 Ω功率电阻与TVS管串联，电流源测电路中电流，电压源测TVS管两端电压。
Figure 3. Test schematic diagram of TVS diodes
图3. TVS管测试原理图
从产品手册选型发现，P4SMA20A和SMBJ20CA两种型号的TVS管全都符合选型要求，对其进行实测，结果如表1所示。
Table 1. Actual test results of different models of TVS diodes parameters
表1. 不同型号TVS管参数实际测试结果
| 型号 |
反向截止
电压Vrwm |
漏电流
Ir |
击穿电压Vbr |
电流Ir |
箝位电压Vc |
峰值脉冲电流Ipp |
备注 |
| P4SMA20A |
20 V |
1.7 μA |
20.1 V |
4.475 mA |
20.59 V~24.71 V |
0.257 A |
29 V时TVS管过热，两端焊锡烫化 |
| SMBJ20CA |
20 V |
2 μA |
23.5 V |
2.92 mA |
23.7 V~25.09 V |
0.21 A |
30 V时正常工作 |
实验测得电路尖峰脉冲电压为30 V，因此，TVS管选用SMBJ20CA型TVS管。
3. 浪涌保护电路实验验证
3.1. 浪涌保护电路方案设计
无浪涌保护电路时，不加负载状态下测得尖峰脉冲电压30 V，加负载状态测得静态电流6 A。设计了四种浪涌保护电路方案进行对比测试和验证。原理图如图4所示，方案设计如表2所示。
Figure 4. Schematic diagram of surge protection circuit
图4. 浪涌保护电路原理图
Table 2. TVS surge protection circuit scheme design
表2. TVS浪涌保护电路方案设计
| 方案 |
TVS管 |
电容 |
| 方案一 |
无 |
C1为10 μf，C2为0.1 μF，C3为10 μf，C4为0.1 μf，C5为0.1 μF |
| 方案二 |
SMBJ20CA |
无 |
| 方案三 |
SMBJ20CA |
C1为10 μf，C2为0.1 μF，C3为10 μf，C4为0.1 μf，C5为0.1 μF |
| 方案四 |
SMBJ20CA |
C1为47 μf，C2为0.1 μF，C3为10 μf，C4为0.1 μf，C5为0.1 μF |
3.2. 浪涌保护电路实验结果
对所有方案进行试验测试，测试结果如表3所示。可以看出，TVS电路和电容电路的方案不能很好地消除尖峰脉冲电压，而TVS和电容的浪涌保护电路方案既能为电源端的瞬间电压提供泄流路径，也能稳定电源和地之间的电压，达到更好的尖峰脉冲电压抑制效果。
Table 3. Test situation
表3. 测试情况
| 方案 |
不加负载 |
加负载 |
| 方案一 |
尖峰脉冲电压达26 V |
尖峰脉冲电压未降到安全电压，因此未测试 |
| 方案二 |
尖峰脉冲电压达26 V |
尖峰脉冲电压未降到安全电压，因此未测试 |
| 方案三 |
尖峰脉冲电压达22.8 V |
静态电流6.38 A，加负载后电压18.8 V |
| 方案四 |
尖峰脉冲电压达20.4 V |
静态电流6.38 A，无电压降落 |
TVS管快速泄放高压，大电容防止浪涌，滤除低频干扰，小电容滤除高频干扰，共同构成浪涌保护电路。对比分析方案三与方案四发现，电容增大能够有效滤除电路中交流成分，使输出的直流电压更加平滑和稳定。
4. 结语
开关电源的浪涌是由开关管反复开关动作造成的，电源端容易受到外部浪涌电压冲击造成损伤。本文提出的TVS和电容的浪涌保护电路，综合了TVS管的快速泄流能力和电容的稳定电压能力，TVS迅速响应将电源端的瞬态高压及电流引入电源地上，从而防止尖峰脉冲对负载造成损伤，电容滤除电源噪声，提高电路性能和稳定性，与TVS共同构成浪涌保护电路可以有效保护负载，提高电路耐受复杂环境电磁干扰的能力。
NOTES
*通讯作者。