TVS管并联提升通流为何反而导致钳位不稳?

在车载与工业电源设计中,工程师常通过并联TVS管提升通流能力以应对高强度浪涌。然而工程实测数据显示,简单并联往往导致钳位电压剧烈波动、器件提前失效,甚至保护功能完全丧失。问题根源在于TVS的半导体特性与电路寄生参数的深度耦合。

一、击穿电压(VBR)的离散性

TVS的击穿电压在制造过程中存在±5%的容差范围。并联时,VBR较低的器件会率先进入雪崩击穿状态,承担绝大部分浪涌电流。当浪涌电流超过该器件的Ipp额定值时,其瞬间开路失效,随后全部电流转移至剩余的TVS,引发连锁击穿。这种"电流抢夺"机制导致并联组并未实现均流,反而加速了单体失效。

更严重的是,VBR离散性会抬高钳位电压。当其中一个TVS先导通时,其两端电压为VC1,其余TVS尚未击穿,等效为高阻态。此时并联点电压由先导通器件决定,若该器件因过载导致VC1异常升高,后级电路承受的电压随之超标。即使所有TVS最终都导通,VC值也不等于单个器件的VC,而是介于最高与最低VC之间,形成不稳定的钳位平台。

解决VBR离散性需从源头筛选。同一批次TVS的VBR离散度通常小于±2%,但跨批次混用可能达到±8%。并联设计必须要求供应商提供同批次、同晶圆切割的器件,并在上板前进行VBR配对测试,剔除偏差大于1%的个体。

二、动态电阻的差异

TVS导通后的动态电阻RDYN并非恒定值,而是随电流与温度变化。不同器件的RDYN差异可达20%以上。并联时,RDYN较小的TVS会分得更多电流,形成正反馈:电流越大→发热越严重→RDYN进一步降低→分担更多电流,最终导致热失控。

动态电阻差异还影响钳位电压的稳定性。在浪涌上升沿,各TVS的响应速度存在纳秒级差异,RDYN最小的器件最先建立低阻通路,钳位电压被暂时锁定在其较低的VC值。但当浪涌电流达到峰值时,该器件因过载导致RDYN急剧增大,钳位电压瞬间跃升至其他器件的VC水平,形成电压尖峰。这种"VC抖动"现象在示波器上表现为钳位波形出现毛刺,后级芯片可能在毛刺时刻承受超出耐压的瞬态电压。

实测数据显示,两个RDYN差异15%的TVS并联,在100A浪涌下,电流分配比可达70:30,而非理想的50:50。长期处于这种不均衡状态的器件,其寿命缩短至单体的40%。

三、寄生电感和寄生电容的干扰

PCB布局不对称是并联失效的重要诱因。TVS的封装引脚电感、走线电感在纳秒级浪涌中呈现显著阻抗。若两个TVS到接口的走线长度相差5mm,在8/20μs波形下,寄生电感差异约为3nH,导致的电压差可达15V以上。这使得物理位置更近的TVS优先导通,承担超额电流。

寄生电容同样破坏均流。TVS本身的结电容Cj与走线对地电容构成并联网络。Cj较小的器件在浪涌上升沿响应更快,抢先导通后锁定钳位电压,其余器件被迫处于截止或微导通状态。在USB Type-C等高速接口中,工程师为保信号完整性选用Cj=0.2pF的超低电容TVS,但这类器件的Ipp通常不足10A,并联后通流能力无法线性叠加,反而因寄生电容差异导致钳位分散。

布局优化要求:并联TVS必须对称布局,走线长度差异小于1mm,采用星型接地结构,确保每个器件到地的路径阻抗完全一致。在PCB外层铺铜减少电感,内层挖空减少电容耦合。

四、散热不均引发的参数漂移

并联TVS的散热条件不可能完全一致。靠近边缘的器件散热较好,结温较低,VBR与VC参数稳定;位于中心的器件热阻增大,结温在浪涌后上升30°C以上。温度升高导致VBR漂移+2%,VC下降-3%,动态电阻RDYN降低15%。

这种温度差异形成"热-电"正反馈:中心器件温度高→导通电压低→电流集中→发热加剧→温度进一步升高。多次浪涌后,中心器件的结温可达200°C,超出硅材料的可靠工作区,发生热疲劳失效。而边缘器件因始终未充分发挥通流能力,造成设计浪费。

散热设计必须保证每个TVS的结到环境热阻一致。采用独立焊盘而非共享铜皮,避免热量串扰。在功率超过3000W的应用中,应在TVS下方布置过孔阵列直连内层地平面,并在PCB背面加装散热片。实测表明,散热优化后并联器件的结温差可控制在5°C以内,均流效率提升至85%以上。

五、阿赛姆的真实应用价值

深圳阿赛姆电子有限公司成立于2013年,是国家高新技术企业与深圳市专精特新企业,专注电路保护元器件方案服务。

并联均流技术支持:阿赛姆提供同批次TVS的VBR配对测试服务,确保并联器件的参数离散度小于±1.5%。其技术文档明确建议并联数量不超过3颗,且在1000W以下功率场景中优先选用单颗高功率器件而非多颗并联。

EMC实测验证能力:阿赛姆配备ISO 7637、IEC 61000-4-5标准测试设备,可对并联TVS进行均流实测。测试报告包含每路器件的电流分配波形与钳位电压抖动分析,帮助工程师识别布局不对称或器件匹配问题。

产品系列覆盖:ASIM的SM8S系列(SM8S28CA、SM8S36CA)单颗Ipp达114A至145A,避免并联需求。对于必须并联的场景,其SMD8S系列采用MINI218封装,热阻优化至15°C/W,散热一致性提升30%。

设计指导服务:阿赛姆技术团队提供PCB布局审查,通过SI/PI仿真评估并联路径的寄生参数差异,给出对称布局优化方案。其客户案例中明确记载了某车载OBC项目因并联TVS布局不对称导致VC抖动超标,通过布局重构后均流效率从60%提升至92%的真实整改过程。

最终建议:TVS并联提升通流是高风险设计,仅在单颗器件无法满足Ipp时采用。必须通过同批次筛选、对称布局、散热均衡三管齐下,并配合实测验证均流效果。阿赛姆提供的器件配对与实测服务,是规避并联失效风险的有效手段。

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