TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管原理應(yīng)用特性

瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過，同時(shí)把電壓鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10ms條件下，可達(dá)50～200A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚簟⒎肋^電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護(hù)器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS(Transient Voltage Suppression)是一種限壓保護(hù)器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿足要求。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級(jí)，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級(jí)。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過TVS管的過電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù)，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護(hù)，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

TVS具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的信號(hào)電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。

TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

TVS管主要可用于直流電源、信號(hào)線路、天饋線路的防雷保護(hù)。

TVS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對(duì)較長。

TVS二極管的應(yīng)用

目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)、電機(jī)電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。 TVS器件的主要電參數(shù)

(1)擊穿電壓V(BR)

器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流I(BR)下，測(cè)得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

(2)最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。IPP與最大鉗位電壓VC(MAX)的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。

使用時(shí)應(yīng)正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護(hù)器件或線路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

TVS二極管的分類

TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性兩種，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專用型器件。如：各種交流電壓保護(hù)器、 4~200mA電流環(huán)保器、數(shù)據(jù)線保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、電話機(jī)保護(hù)器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

TVS二極管的特點(diǎn)

(1)將TVS二極管加在信號(hào)及電源線上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的肪沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

(2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

(3)將TVS二極管放置在信號(hào)線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

TVS的選用技巧

(1)確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。

(2)TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。

(3)TVS的最大鉗位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

(5)對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

(6)根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

(7)溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作。如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線性下降50%雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。 處理瞬時(shí)脈沖對(duì)元件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從感應(yīng)元件引開。TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便產(chǎn)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流透過二極管被引開，避開被保護(hù)元件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回覆高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。許多元件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會(huì)產(chǎn)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會(huì)產(chǎn)生損壞或退化。

從以上過程可以看出，在選擇TVS二極管時(shí)，必須注意以下幾個(gè)參數(shù)的選擇：

1.最小擊穿電壓VBR和擊穿電流I R 。VBR是TVS最小的擊穿電壓，在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)產(chǎn)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR )時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓V BR 。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對(duì)于5%的VBR來說，V WM =0.85VBR;對(duì)于10%的VBR來說，V WM =0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，部份半導(dǎo)體廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于某些有特殊要求的可攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以依需要挑選元件。

2.最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì)不斷截止回路電壓;但它又需要盡量與被保護(hù)回路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì)在TVS工作以前使整個(gè)回路面對(duì)過壓威脅。當(dāng)這個(gè)額定反向切斷電壓VWM加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向切斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

3.最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流I PP 。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險(xiǎn)。

4. Pppm額定脈沖功率，這是基于最大截止電壓和此時(shí)的峰值脈沖電流。對(duì)于手持設(shè)備，一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在特定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下，鉗位電壓VC越低，其突波電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重覆的，元件規(guī)定的脈沖重覆頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重覆性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。

5.電容器量C。電容器量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測(cè)得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使訊號(hào)衰減。因此，C是數(shù)據(jù)介面電路選用TVS的重要參數(shù)。電容器對(duì)于數(shù)據(jù)/訊號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容器對(duì)電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號(hào)強(qiáng)度，因此需要根據(jù)回路的特性來決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不大于3pF)，而對(duì)電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。 TVS二極管特性曲線：

直流電源防護(hù)設(shè)計(jì)

室外網(wǎng)口防護(hù)電路

注意，TVS管的寄生電容可能影響信號(hào)完整性，可以使用壓敏電阻放在變壓器抽頭，作為防護(hù)電路，支持更高速率的網(wǎng)口設(shè)計(jì)。

232防護(hù)電路設(shè)計(jì)

485防護(hù)電路設(shè)計(jì)

審核編輯：湯梓紅