姜麗　武榮榮　黃姣英　賈穎

摘 要： 瞬變電壓抑制器（TVS）的浪涌壽命是TVS使用方最為關(guān)注的可靠性指標(biāo)。在對TVS浪涌壽命特點(diǎn)及其主要影響因素分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)Arrehenius模型原理建立了TVS浪涌壽命與脈沖峰值電流倍數(shù)和環(huán)境溫度這兩個主要影響因素的關(guān)系模型，基于加速浪涌壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了該模型中待定系數(shù)的取值。鑒于TVS使用條件可能與試驗(yàn)條件不同，采取調(diào)整系數(shù)的辦法對模型進(jìn)行完善，通過理論計(jì)算給出非試驗(yàn)波形調(diào)整系數(shù)的計(jì)算公式，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和MIL?HDBK?217F中TVS失效率模型調(diào)整系數(shù)給出了質(zhì)量調(diào)整系數(shù)和環(huán)境調(diào)整系數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明建立的TVS浪涌壽命模型比較客觀地反映了TVS的浪涌壽命與主要使用因素的關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 瞬變電壓抑制器； 浪涌壽命； 模型； 調(diào)整系數(shù)

中圖分類號： TN306?34； TN31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0138?04

0 引 言

當(dāng)今電子設(shè)備電磁兼容要求越來越高，瞬態(tài)電磁脈沖的防護(hù)，除了傳統(tǒng)的屏蔽、濾波、接地等方法外，還常采用旁路保護(hù)器件或電路。所謂旁路保護(hù)，是對被保護(hù)對象并聯(lián)一組保護(hù)器件或電路，當(dāng)電路中出現(xiàn)因電磁脈沖耦合產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓時(shí)，保護(hù)器件或電路先行擊穿，吸收電磁脈沖的大部分能量并轉(zhuǎn)化為其他形式，將被保護(hù)電路兩端的電壓控制在其能承受的范圍內(nèi)。目前，電子設(shè)備最常用的旁路保護(hù)器件是瞬變電壓抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），其性能較過去常用旁路保護(hù)器件如壓敏電阻等優(yōu)越，其中最突出的就是在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)箝位電壓隨電流變化微小，能經(jīng)受瞬態(tài)脈沖的次數(shù)多，且多次電壓箝位后性能不變。而TVS能承受的瞬態(tài)脈沖次數(shù)自然成為TVS選用時(shí)重要的可靠性指標(biāo)。因此，雖然美軍標(biāo)MIL?HDBK?217F等可靠性預(yù)計(jì)手冊給出了TVS工作失效率模型[1]，但不足以提供TVS選用時(shí)所需的可靠性指標(biāo)。自從20世紀(jì)70年代，美國國家宇航局（NASA）提出浪涌壽命（Surge Life）即平均失效前脈沖數(shù)這一重要的TVS可靠性參數(shù)以來，國外著名TVS生產(chǎn)廠商對其生產(chǎn)的TVS產(chǎn)品浪涌壽命進(jìn)行過大量的測試和研究[2]，但均未曾建立TVS浪涌壽命與各種使用因素的關(guān)系或模型，而國內(nèi)對國產(chǎn)TVS浪涌壽命研究尚屬空白。本文旨在建立包括了TVS幾種常見使用因素的浪涌壽命模型。

1 TVS浪涌壽命試驗(yàn)原理

TVS浪涌壽命試驗(yàn)是選取一組同一型號同一批次的TVS樣品，對每只樣品采用一定時(shí)間間隔的序列脈沖對其進(jìn)行沖擊直至失效，從而獲得每只樣品失效前脈沖次數(shù)和這組樣品平均失效前脈沖數(shù)。試驗(yàn)時(shí)兩次脈沖的時(shí)間間隔以不存在前次脈沖的熱積累為標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)采用的脈沖為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波[3]，如圖1所示，可用脈沖電流從10%[IPP]（[IPP]為脈沖峰值電流）上升到90%[IPP]的時(shí)間[tr]和脈沖電流衰減到50%[IPP]的時(shí)間[tp]來定義。例如[tr]為10 μs，[tp]為1 ms的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波稱為10 μs/1 ms標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波或簡稱1 ms標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波，這是TVS額定脈沖峰值功率或電流定義、箝位電壓測試和浪涌壽命試驗(yàn)最常用的波形。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波的波形

TVS浪涌壽命試驗(yàn)電路可采用箝位電壓測試儀實(shí)現(xiàn)，其電路原理如圖2所示[4]。圖中G是標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖發(fā)生器，當(dāng)開關(guān)[S]閉合時(shí)，能產(chǎn)生一次標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖。

圖2 浪涌壽命試驗(yàn)電路

2 TVS浪涌壽命模型的建立

2.1 模型理論分析

TVS浪涌壽命最主要的影響因素是試驗(yàn)脈沖峰值電流相對TVS額定脈沖峰值[IPP]的比值（以下簡稱脈沖峰值電流倍數(shù)）和試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度。試驗(yàn)脈沖峰值電流倍數(shù)越大，TVS浪涌壽命值越??；試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度越高TVS浪涌壽命值也越小。通常，Arrehenius模型[5]能較好地反應(yīng)元器件壽命與溫度應(yīng)力和電應(yīng)力的關(guān)系。該模型常用于建立失效壽命與應(yīng)力的關(guān)系，但也可用于建立交變疲勞壽命次數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系。該模型于19世紀(jì)由Arrehenius從化學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來：反應(yīng)速率與激活能的指數(shù)成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成線性關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式可表示為：

[dMdt=Ae-E（kT）] （1）

式中：[M]為元器件某特征值或退化量；[dMdt]表示溫度在[T]（熱力學(xué)溫度）時(shí)的反應(yīng)速率；[A]為系數(shù)；[E]為反應(yīng)的激活能，單位為eV；[k]為玻爾茲曼常數(shù)，[k=]0.861 7×10-4 eV/K。

如果除考慮激活能，還考慮溫度以外的應(yīng)力[S，]則該模型可表示為：

[dMdt=Ae-E（kT）?Sc] （2）

式中[c]為待定系數(shù)。

在本研究中[t]指浪涌次數(shù)[N，][S]為試驗(yàn)時(shí)脈沖峰值電流倍數(shù)，用[I]表示，因此將式（2）變?yōu)椋?/p>

[dMdN=Ae-E（kT）?Ic] （3）

對式（3）兩邊積分，變形可得：

[lnN=lnΔMA+EkT-clnI] （4）

令[a=lnΔMA]，[b=Ek]，則式（4）變?yōu)椋?/p>

[lnN=a+bT-clnI] （5）

即：

[N=exp（a+bT）?I-c] （6）

式（5）或式（6）反映了TVS浪涌壽命與脈沖峰值電流倍數(shù)、溫度的關(guān)系，其中[a，][b，][c]三個待定系數(shù)可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式中計(jì)算得到。從式（5）可以看出如果試驗(yàn)時(shí)脈沖峰值電流倍數(shù)不變，浪涌壽命的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系，在半對數(shù)坐標(biāo)紙上為一條直線，直線斜率即為[b]值。如果試驗(yàn)時(shí)溫度不變，浪涌壽命的對數(shù)與脈沖峰值電流的對數(shù)成線性關(guān)系，在對數(shù)坐標(biāo)紙上為一條直線，直線斜率即為[-c]值。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果

為確定式（5）或式（6）中[a，][b，][c]三個待定系數(shù)的值，以及驗(yàn)證TVS浪涌壽命與式（5）或式（6）的符合性，需具有TVS在不同環(huán)境溫度、不同峰值電流倍數(shù)下的浪涌壽命數(shù)據(jù)。由于常溫下脈沖峰值電流倍數(shù)為1時(shí)，TVS能承受的脈沖次數(shù)可達(dá)上萬次[6]，因此采取加速浪涌壽命試驗(yàn)獲得所需數(shù)據(jù)。選取脈沖峰值電流倍數(shù)和試驗(yàn)環(huán)境溫度作為加速因子。加速因子大小的選擇須以不改變失效機(jī)理為前提[7]。對經(jīng)受多次浪涌沖擊后耗損失效的TVS器件進(jìn)行了失效分析，發(fā)現(xiàn)失效模式為短路，失效部位通常在結(jié)表面邊緣，失效機(jī)理可能是結(jié)邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉逐漸分離，降低了結(jié)邊緣的散熱能力，一段時(shí)間以后結(jié)溫持續(xù)增大，導(dǎo)致器件過熱燒毀。通常，TVS實(shí)際脈沖峰值功率小于額定脈沖峰值功率，其失效屬耗損失效。因此，加速因子不能過大使實(shí)際脈沖峰值功率超出額定脈沖峰值功率。

試驗(yàn)樣品選擇額定脈沖峰值功率為1 500 W（目前國產(chǎn)可靠性較高TVS通常采用金屬氣密封裝或玻璃封裝，額定脈沖峰值功率為1 500 W），質(zhì)量等級分別為特軍級、超特軍級和普軍級，型號分別為SY5658、SY5646A和SY5665A的金屬氣密封裝國產(chǎn)TVS產(chǎn)品。額定脈沖峰值功率相同的TVS系列產(chǎn)品在相同溫度和相同脈沖下實(shí)際峰值功率相同。表1是額定脈沖峰值功率為1 500 W的TVS在25 ℃，40 ℃，60 ℃三個不同溫度點(diǎn)下，施加脈沖峰值電流不同的1 ms標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖時(shí)脈沖峰值功率的值（脈沖峰值電流與相應(yīng)箝位電壓的乘積）。

表1 峰值功率為1 500 W的TVS在三個溫度下

加不同脈沖峰值電流時(shí)的實(shí)際脈沖峰值功率 W

[脈沖峰值電流

[IPP] /A＼&環(huán)境溫度 /℃＼&25＼&40＼&60＼&1＼&1 045＼&1 200＼&1 400＼&1.25＼&1 322＼&1 470＼&--＼&1.4＼&1 484＼&--＼&--＼&]

由表（1）可確定試驗(yàn)時(shí)可施加的1 ms標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波的脈沖峰值電流最大值和相應(yīng)的最高溫度。由此，制定了TVS加速浪涌壽命試驗(yàn)方案，見表2。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和基本模型的建立

由式（5）的分析可知，利用SY5658在[I=1]時(shí)三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得到一條直線，直線斜率即為[b]值，在縱軸上的截距為[a]值。圖3（a）是用數(shù)學(xué)軟件Matlab擬合的結(jié)果，同時(shí)可得[a=]-11.11，[b=]6 088，[E=b×k=6 088]×0.861 7×10-4=0.58。利用SY5658在[I=]1.25時(shí)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到圖3（a）上另一條直線。由圖3（a）可見這兩條直線近似平行，說明[a、][b]的取值與TVS浪涌壽命的符合性較好。

由式（5）的分析還可知，利用SY5658在環(huán)境溫度為25 ℃（即[T=]298 K）時(shí)三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得到一條直線，直線的斜率即為[-c]值。圖3（b）是用Matlab擬合的結(jié)果，同時(shí)可得[c=]16.13。利用SY5658在40 ℃（即[T=]313 K）時(shí)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到圖3（b）上另一條直線。由圖3（b）可見這兩條直線近似平行，說明[c]的取值與TVS浪涌壽命的符合性較好。

將[a，][b，][c]值代入式（6）可得TVS浪涌壽命基本模型為：

[N=exp-11.11+6 088T?I-16.13] （7）

圖3 Matlab仿真圖

2.4 模型的調(diào)整

TVS實(shí)際應(yīng)用中，TVS質(zhì)量等級、使用環(huán)境、承受的瞬態(tài)脈沖的波形、持續(xù)時(shí)間等可能與試驗(yàn)情況不同，TVS浪涌壽命也會有所變化。可通過在基本模型的基礎(chǔ)上乘一系列的調(diào)整系數(shù)的辦法對模型進(jìn)行完善，使模型適合實(shí)際應(yīng)用。

2.4.1 脈沖波形調(diào)整系數(shù)

TVS在不同的時(shí)間內(nèi)所能承受的能量不同，額定脈沖峰值電流（定義波形為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波）也不同。對于TVS實(shí)際應(yīng)用中承受波形為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波，但持續(xù)時(shí)間[tp]不為1 ms的情形，帶入模型計(jì)算的脈沖峰值電流倍數(shù)應(yīng)是TVS實(shí)際承受的脈沖峰值電流與脈沖時(shí)間為[tp]時(shí)額定脈沖峰值電流的比值。而TVS產(chǎn)品手冊通常只給出脈沖時(shí)間為1 ms時(shí)額定脈沖峰值電流，可先計(jì)算TVS實(shí)際承受的脈沖峰值電流與脈沖時(shí)間為1 ms時(shí)額定脈沖峰值電流的比值[I，]再計(jì)算脈沖時(shí)間為1 ms時(shí)額定脈沖峰值電流與脈沖時(shí)間為[tp]時(shí)額定峰值電流的比值[d1。]這樣可得TVS實(shí)際承受的脈沖峰值電流與脈沖時(shí)間為[tp]時(shí)額定脈沖峰值電流的比值即為[d1?I。]其中[d1]的計(jì)算方法可由TVS脈沖峰值功率與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系推算出來，該關(guān)系如圖4所示[8]，由該關(guān)系可得持續(xù)時(shí)間為1 ms時(shí)額定脈沖峰值功率與持續(xù)時(shí)間為[tp]時(shí)額定脈沖峰值功率的比值為[0.423-lg tp]，其中[tp]單位為μs。這同時(shí)也是持續(xù)時(shí)間為1 ms時(shí)額定脈沖峰值電流與持續(xù)時(shí)間為[tp]時(shí)額定脈沖峰值電流的比值（因?yàn)門VS箝位電壓隨電流變化極微?。?，因此[d1=0.423-lg tp。]

圖4 TVS脈沖峰值功率與脈沖持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

對于脈沖時(shí)間為[tp]的非標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖波，首先需轉(zhuǎn)換成與其持續(xù)時(shí)間相等的等能量（TVS承受的脈沖能量的計(jì)算方法為脈沖電流對時(shí)間積分再乘以箝位電壓）的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波，計(jì)算轉(zhuǎn)化后標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波脈沖峰值電流與原脈沖峰值電流的比值[d2，]再計(jì)算原脈沖峰值電流與脈沖時(shí)間為[tp]時(shí)額定峰值電流的比值[d1?I。]這樣可得轉(zhuǎn)化后標(biāo)準(zhǔn)脈沖峰值電流與脈沖時(shí)間為[tp]時(shí)額定脈沖峰值電流的比值為[d1?d2?I。]因此，可將式（6）調(diào)整為：

[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]稱為脈沖波形調(diào)整系數(shù)。其中常見脈沖波形及按脈沖能量相等的原則轉(zhuǎn)化后脈沖峰值電流與原脈沖峰值的比值[d2]如圖5所示。

圖5 各種波形及轉(zhuǎn)化系數(shù)

2.4.2 質(zhì)量調(diào)整系數(shù)和環(huán)境調(diào)整系數(shù)

TVS質(zhì)量等級不同、使用環(huán)境不同的情況，可用質(zhì)量調(diào)整系數(shù)[KQ]和環(huán)境調(diào)整系數(shù)[KE]進(jìn)行調(diào)整，因此，TVS浪涌壽命模型最終可建立為：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根據(jù)表2中試驗(yàn)結(jié)果可知TVS質(zhì)量等級為特軍級時(shí)[KQ]取1.73，為特軍級時(shí)[KQ]取1，為普軍級時(shí)[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足夠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可參照美軍標(biāo)MIL?HDBK?217F中TVS質(zhì)量和環(huán)境調(diào)整系數(shù)取倒數(shù)（因?yàn)槊儡姌?biāo)給出的是失效率模型，而本文給出的是壽命模型），這是在未獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)或難以獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下最為準(zhǔn)確的估計(jì)方法。

3 結(jié) 語

TVS浪涌壽命模型給出了不同質(zhì)量等級國產(chǎn)TVS在不同波形、不同使用環(huán)境下的浪涌壽命。該模型適用于TVS承受的實(shí)際脈沖峰值功率和穩(wěn)態(tài)功率小于額定脈沖峰值功率和穩(wěn)態(tài)功率。如果超出這一使用條件，TVS浪涌壽命將很?。?00次以下）。試驗(yàn)證明該模型比較客觀地反映了TVS浪涌壽命規(guī)律，從而可為TVS正確選用提供依據(jù)。根據(jù)該模型還可推知，在使用環(huán)境溫度不能改變的情況下，選用合適的TVS使之所受電應(yīng)力得到一定程度降額可大大提高其浪涌壽命。需要說明的是，由于受到研究期限、資金、試驗(yàn)條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的系數(shù)也還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證和修正。

參考文獻(xiàn)

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[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]稱為脈沖波形調(diào)整系數(shù)。其中常見脈沖波形及按脈沖能量相等的原則轉(zhuǎn)化后脈沖峰值電流與原脈沖峰值的比值[d2]如圖5所示。

圖5 各種波形及轉(zhuǎn)化系數(shù)

2.4.2 質(zhì)量調(diào)整系數(shù)和環(huán)境調(diào)整系數(shù)

TVS質(zhì)量等級不同、使用環(huán)境不同的情況，可用質(zhì)量調(diào)整系數(shù)[KQ]和環(huán)境調(diào)整系數(shù)[KE]進(jìn)行調(diào)整，因此，TVS浪涌壽命模型最終可建立為：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根據(jù)表2中試驗(yàn)結(jié)果可知TVS質(zhì)量等級為特軍級時(shí)[KQ]取1.73，為特軍級時(shí)[KQ]取1，為普軍級時(shí)[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足夠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可參照美軍標(biāo)MIL?HDBK?217F中TVS質(zhì)量和環(huán)境調(diào)整系數(shù)取倒數(shù)（因?yàn)槊儡姌?biāo)給出的是失效率模型，而本文給出的是壽命模型），這是在未獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)或難以獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下最為準(zhǔn)確的估計(jì)方法。

3 結(jié) 語

TVS浪涌壽命模型給出了不同質(zhì)量等級國產(chǎn)TVS在不同波形、不同使用環(huán)境下的浪涌壽命。該模型適用于TVS承受的實(shí)際脈沖峰值功率和穩(wěn)態(tài)功率小于額定脈沖峰值功率和穩(wěn)態(tài)功率。如果超出這一使用條件，TVS浪涌壽命將很?。?00次以下）。試驗(yàn)證明該模型比較客觀地反映了TVS浪涌壽命規(guī)律，從而可為TVS正確選用提供依據(jù)。根據(jù)該模型還可推知，在使用環(huán)境溫度不能改變的情況下，選用合適的TVS使之所受電應(yīng)力得到一定程度降額可大大提高其浪涌壽命。需要說明的是，由于受到研究期限、資金、試驗(yàn)條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的系數(shù)也還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證和修正。

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[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]稱為脈沖波形調(diào)整系數(shù)。其中常見脈沖波形及按脈沖能量相等的原則轉(zhuǎn)化后脈沖峰值電流與原脈沖峰值的比值[d2]如圖5所示。

圖5 各種波形及轉(zhuǎn)化系數(shù)

2.4.2 質(zhì)量調(diào)整系數(shù)和環(huán)境調(diào)整系數(shù)

TVS質(zhì)量等級不同、使用環(huán)境不同的情況，可用質(zhì)量調(diào)整系數(shù)[KQ]和環(huán)境調(diào)整系數(shù)[KE]進(jìn)行調(diào)整，因此，TVS浪涌壽命模型最終可建立為：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根據(jù)表2中試驗(yàn)結(jié)果可知TVS質(zhì)量等級為特軍級時(shí)[KQ]取1.73，為特軍級時(shí)[KQ]取1，為普軍級時(shí)[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足夠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可參照美軍標(biāo)MIL?HDBK?217F中TVS質(zhì)量和環(huán)境調(diào)整系數(shù)取倒數(shù)（因?yàn)槊儡姌?biāo)給出的是失效率模型，而本文給出的是壽命模型），這是在未獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)或難以獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下最為準(zhǔn)確的估計(jì)方法。

3 結(jié) 語

TVS浪涌壽命模型給出了不同質(zhì)量等級國產(chǎn)TVS在不同波形、不同使用環(huán)境下的浪涌壽命。該模型適用于TVS承受的實(shí)際脈沖峰值功率和穩(wěn)態(tài)功率小于額定脈沖峰值功率和穩(wěn)態(tài)功率。如果超出這一使用條件，TVS浪涌壽命將很?。?00次以下）。試驗(yàn)證明該模型比較客觀地反映了TVS浪涌壽命規(guī)律，從而可為TVS正確選用提供依據(jù)。根據(jù)該模型還可推知，在使用環(huán)境溫度不能改變的情況下，選用合適的TVS使之所受電應(yīng)力得到一定程度降額可大大提高其浪涌壽命。需要說明的是，由于受到研究期限、資金、試驗(yàn)條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的系數(shù)也還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證和修正。

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