作者： Art Pini

瞬態(tài)電壓尖峰與浪涌對(duì)電子電路的影響程度不一，從令人煩惱的輕微故障，到導(dǎo)致電路元件損毀的災(zāi)難性后果皆有可能。此類瞬變現(xiàn)象的誘因多樣，包括雷電、靜電和感應(yīng)放電等（圖 1）。

圖 1：瞬變可能由雷電、靜電或感應(yīng)放電等引起，會(huì)對(duì)未受保護(hù)的電子設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。（圖片來(lái)源：Littelfuse Inc.）

像這樣的瞬變能夠產(chǎn)生峰值電壓在數(shù)百伏至數(shù)萬(wàn)伏不等、電流達(dá)千安級(jí)別的脈沖，持續(xù)時(shí)間從數(shù)百納秒到數(shù)毫秒。

IC 和處理器的小型化以及供電電壓的降低，使得它們對(duì)電瞬變現(xiàn)象更為敏感。對(duì)于由多個(gè)電子系統(tǒng)控制各個(gè)環(huán)節(jié)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、空調(diào)和娛樂(lè)）的車輛來(lái)說(shuō)尤其如此。

為了保護(hù)敏感電路，人們開發(fā)了多種設(shè)計(jì)策略，包括屏蔽布線、濾波器、消弧和鉗位器件。屏蔽和濾波采用無(wú)源設(shè)計(jì)，而消弧和鉗位保護(hù)則采用有源機(jī)制?；鸹ㄏ?、氣體放電管和晶閘管等消弧器件將瞬變電流分流至地面以保護(hù)電路。當(dāng)消弧器件處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，受保護(hù)的設(shè)備不工作，但一旦瞬變消失，設(shè)備就能正常工作。

鉗位器件包括金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)、齊納二極管和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 雪崩二極管，它們通過(guò)改變阻抗將受保護(hù)設(shè)備兩端的電壓保持為恒定。這些技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。TVS 二極管因其響應(yīng)速度快、功率耗散大的特點(diǎn)而被廣泛用作鉗位器件。

瞬態(tài)電壓抑制二極管

TVS 二極管是一種雪崩二極管，用作鉗位器件，當(dāng)施加的電壓超過(guò)其雪崩擊穿電壓時(shí)會(huì)分流掉過(guò)多的電流，將電壓保持或鉗位在恒定電位。當(dāng)施加的電壓低于擊穿值時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)復(fù)位。

TVS 二極管可用作單向器件，用于防止單極性的瞬變，也可用作雙向器件，用于防止任一極性的瞬變（圖 2）。雙向器件可以是對(duì)稱的，可鉗位幅值相同的任一極性電壓，也可以是不對(duì)稱的，可根據(jù)瞬變的極性鉗位到不同的電壓電平。

圖 2：三種 TVS 器件的電流-電壓擊穿特性及其原理圖符號(hào)。（圖片來(lái)源：Littelfuse Inc.）

單向 TVS 二極管的工作原理與簡(jiǎn)單二極管類似，正向偏置時(shí)導(dǎo)通，反向偏置時(shí)不導(dǎo)通，直到超過(guò)二極管的擊穿電壓 (V BR )。當(dāng)施加的電壓超過(guò) VBR 時(shí)，二極管導(dǎo)通，將其兩端的電壓保持在鉗位電壓 (V C )。這種二極管可以耗散的最大功率為峰值脈沖電流 (I PP ) x V C 。

雙向 TVS 二極管相當(dāng)于背靠背的兩個(gè)二極管。在任一方向都未超過(guò)擊穿電壓 (V BR ) 時(shí)，流過(guò)的只是小的反向漏電流 (I R )。這種操作是對(duì)稱的，因?yàn)閮煞N偏置條件下的擊穿電壓幅值相同。

非對(duì)稱 TVS 二極管的作用類似于雙向器件，但擊穿電壓（V~BR1 ~和 V BR2 ）不同。

非對(duì)稱 TVS 二極管

您可能想知道為什么需要非對(duì)稱 TVS 二極管。這些元器件設(shè)計(jì)用于保護(hù)碳化硅 (SiC) MOSFET 上的柵極驅(qū)動(dòng)器。由于 SiC 開關(guān)速度很快，這些驅(qū)動(dòng)器容易因過(guò)壓瞬變而損壞。下面我們來(lái)看看用于車載充電的 SiC MOSFET 或牽引逆變器（圖 3）。

圖 3：用于保護(hù) SiC MOSFET 開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器的非對(duì)稱 TPSMB1505CA TVS。（圖片來(lái)源：Littelfuse Inc.）

非對(duì)稱 [Littelfuse] [TPSMB1505CA] TVS 用于保護(hù) MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器。該柵極驅(qū)動(dòng)器有兩種狀態(tài)；導(dǎo)通狀態(tài)下柵極電壓在 -5 至 10 V 之間，而關(guān)斷狀態(tài)下柵極電壓低于 -10 V。TPSMB1505CA 的額定陰極 (K) 至陽(yáng)極 (A) 擊穿電壓為 16.7 至 18.5 V，最大鉗位電壓為 24.4 V。此方向上的 Ipp 為 24.6 A，瞬態(tài)脈沖持續(xù)時(shí)間為 10 至 1000 ms。

TVS 的 A 至 K 擊穿電壓為 6.8 至 7.4 V，最大鉗位電壓為 11.5 V。此方向上的峰值脈沖電流為 60 A，瞬態(tài)脈沖持續(xù)時(shí)間同樣為 10 至 1000 ms。值得注意的是，這僅通過(guò)單個(gè)元器件即可實(shí)現(xiàn)。若使用獨(dú)立器件達(dá)成這種不對(duì)稱工作模式，則需要多個(gè)元器件協(xié)同工作。

Littelfuse [TPSMB 非對(duì)稱系列 TVS 二極管]（圖 4）包括兩個(gè)附加元器件，二者具有不同的 K 至 A 擊穿電壓。[TPSMB1805CA] 提供 20.0 至 21.1 V 的 K 至 A 擊穿電壓范圍，最大鉗位電壓為 29.2 V。額定 Ipp 為 20.6 A，脈沖持續(xù)時(shí)間為 10 至 1000 ms。A 至 K 擊穿電壓范圍與 TPSMB1505CA 相同（6.8 至 7.4 V）。

圖 4：TPSMB 非對(duì)稱器件采用表面貼裝 DO-214AA 封裝，器件的 K 側(cè)用一條刻線來(lái)表示。（圖片來(lái)源：Littelfuse Inc.）

[TPSMB2005CA]K 至 A 擊穿電壓范圍為 22.2 至 24.5 V，最大鉗位電壓為 32.4 V。在脈沖持續(xù)時(shí)間與其他二極管相同的情況下，額定 I~pp ~為 18.6 A。A 至 K 擊穿電壓范圍與 TPSMB1505CA 相同。

所有三款 TVS 二極管的額定峰值脈沖功率均為 600 W，波形持續(xù)時(shí)間為 10 至 1000 ms，并且均符合汽車 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)。這些器件采用 DO-214AA 表面貼裝封裝，以優(yōu)化電路板空間，并允許將二極管放置在靠近電路觸點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)最佳保護(hù)。封裝上的刻線表示為器件的 K 側(cè)。

結(jié)語(yǔ)

[TPSMB 對(duì)稱]和 TPSMB 非對(duì)稱 TVS 系列非常適合保護(hù)敏感的電子電路，以免雷電和靜電或感應(yīng)放電引起的電壓瞬變?cè)斐善茐?。TPSMB 非對(duì)稱器件尤其適合保護(hù)快速 SiC 開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器，單個(gè) TVS 元件即可同時(shí)保護(hù)導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電平。