采用SPICE评估TVS保护电路

引言

SPICE是分析系统抗传导EMI浪涌电压性能的有效设计工具，它可以验证并优化采用瞬态电压抑制(TVS)雪崩二极管的浪涌保护电路的性能。TVS二极管的尺寸小、响应时间快、钳位电压小且成本低，可以为浪涌问题提供有效的解决方案。本文将SPICE仿真与基准测试进行比较，证明 TVS雪崩二极管能够钳位噪声源(如感应设备和负载开关)引起的浪涌电压。

电流和电压特性关系

齐纳和TVS雪崩二极管有相似的电气特性，但是，两种器件也存在明显的区别。齐纳二极管为调节稳态电压而设计，而TVS二极管则为钳位瞬态浪涌电压而设计。另外，TVS二极管的结面积一般比标准齐纳二极管更大，因此，具有吸收高峰值能量的能力。

TVS 雪崩二极管SPICE模型

现有的大多数TVS雪崩二极管SPICE模型可以用SPICE ‘D’二极管声明产生。用二极管‘D’ 声明对TVS雪崩二极管建模的准确性有若干限制。首先，二极管声明不能定义正向和反向偏置击穿区的单独串联电阻，两个区域内的电阻不等，因此，不能精确地对两个区域内电流与电阻关系的斜率进行建模。其次，‘D’声明没有对击穿电压随着温度变化的差异进行建模的变量。

图1 TVS雪崩二极管SPICE宏模型

宏模型子电路

TVS二极管宏模型与SPICE中的标准二极管模型相比有几大优势，如可以更精确地表示击穿特性。TVS宏模型在一个子电路中结合了标准的SPICE器件。图1为宏模型的原理图。

正向偏置区

当电压VD大于零时，二极管D1是主要元件。TVS二极管的正向偏置特性由D1的饱和电流(IS)、辐射系数(N)和串联电阻(RS)变量控制。正向偏置电流方程如下：

漏电区

电压VD在0V和击穿电压(VBR)之间时，阐释了击穿区前的反向偏置漏电。电流IF和IR比IL小，由于二极管D1和 D2反向偏置，漏电流近似为VD / RL：

击穿区

击穿区用 EV1、D2和 RZ建模，当电压超过 EV1与正向电压D2的和时，电流流过此路径。EV1表示的击穿电压(VBR)等于电流源 IBV和电阻 RBV的乘积减去D3的电压，D3用于补偿D2压降。电流IPP规定的钳位电压 (VC)等于EV1、 RZ和 D2的电压和。

阻抗特性

比较TVS器件的阻抗与频率特性的关系可以仿真宏模型的瞬态响应。由于浪涌脉冲的快速上升时间和大峰值电流产生的高频信息，会影响钳位响应的瞬态性能，因此，需要对阻抗进行建模。电感建模可以确保仿真IC封装电感(V=L(艻/苩))引起的超调脉冲的幅度。电容匹配有助于预测钳位波形，包括对预测器件功率极为重要的精确电阻项。

TVS雪崩二极管的阻抗图如图2所示。测量的阻抗可以包含串联电阻(RS)、 电感 (LS)和电容 (CS)的等效电路建模。RS等于复阻抗的实部，并在谐振频率(fR)处测量。在fR处，LS和CS的阻抗幅度相等，但极性相反，因此，阻抗为纯电阻。测量1MHz时的电容可得到CS，LS用谐振频率得到，这对应于最小阻抗。

图4 器件电阻为额定电阻(RZ = 1.28W)时，SPICE估计最大钳位电压是28.9V，而基准测试产生的值为35.6V。如果RZ提高到8W，仿真结果就与基准测试匹配

仿真测试结果

通过比较8×20ms和10×1000ms浪涌测试的仿真和基准数据，可以看出SPICE宏模型评估TVS器件的能力，这些波形经常用于规定TVS器件的功率额定值，并代表了一般噪声源产生的浪涌脉冲。浪涌脉冲用其上升时间(tr，10%~90%的测量值)和脉冲宽度(50%时的测量值)表示。电压和电流波形分别代表开路和短路(即 R = 2W)条件。

图3所示为TVS二极管在8×20ms 浪涌测试中的钳位性能。8×20ms浪涌脉冲代表了与电子模块并联的负载中电流突然中断后产生的正向瞬态电压。用于导通电子模块、马达和继电器的低端驱动器则可以产生此浪涌脉冲。

TVS在10×1000ms浪涌测试中的钳位性能如图4所示。感生负载和受测试器件(DUT)同时断电以后，就会产生10×1000ms浪涌脉冲。DUT依然与电感并联，这样可以产生负浪涌电压。直流马达、螺线管和继电器就是可以产生此种浪涌脉冲的感生负载。

SPICE局限性

宏模型可以用SPICE精确表示大多数应用中TVS雪崩二极管的电流和电压特性，它解决了几个与SPICE 二极管 ‘D’声明和曲线拟和模型有关的局限，宏模型还提供了一种强大的设计工具，可以分析浪涌抑制电路，但是，它们不能替代硬件开发测试。宏模型的局限性如表1所示。

结语

系统设计人员必须面对严格符合浪涌抑制要求的挑战，为了生产出竞争力强的产品，他们必须提高可靠性、减小电路尺寸并降低成本。采用TVS雪崩二极管可提高抗浪涌性能，而不会明显提高电源电路的成本、尺寸和复杂性。利用SPICE 宏模型可以对TVS二极管消除造成半导体过早发生故障的浪涌电压的能力进行评估。■