瞬變電壓抑制二極管

TVS二極管與常見的穩壓二極管的工作原理相似，如果高於標誌上的擊穿電壓，TVS二極管就會導通，與穩壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導通能力。TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，以10^-12S 量級速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，同時吸收高達數千瓦的浪湧功率。使兩極間的電壓箝位於一個安全值，有效地保護電子線路中的精密元器件免受浪湧脈衝的破壞。

一、 TVS器件的工作原理

瞬態(瞬變)電壓抑制二極管簡稱TVS器件，在規定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈衝時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，並將電壓箝制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。

TVS能承受的瞬時脈衝功率可達上千瓦，其箝位響應時間僅為1ps(10^-12S)。

TVS允許的正向浪湧電流在T =25℃，T=10ms條件下，可達50~200A 。

雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈衝功率，並把電壓箝制到預定水平，雙向TVS適用於交流電路，單向TVS一般用於直流電路。

1、單向TVS的V-I特性，單向TVS的正向特性與普通穩壓二極管相同，反向擊穿拐點近似"直角"為硬擊穿，為典型的PN結雪崩器件。從擊穿點到Vc值所對應的曲線段表明，當有瞬時過壓脈衝時，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，並保持在這一水平上。

2.雙向TVS的V-I特性，雙向TVS的V-I特性曲線如同兩隻單向TVS"背靠背"組合，其正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性，正反兩面擊穿電壓的對稱關係為:0.9≤V(BR)(正) /V(BR)(反) ≤1.1，一旦加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓Vc就會立刻被抑制掉，雙向TVS在交流回路應用十分方便。

1.擊穿電壓V(BR) 器件在發生擊穿的區域內，在規定的試驗電流I(BR) 下，測得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在此區域內，二極管成為低阻抗的通路。

2. 最大反向脈衝峯值電流IPP

在反向工作時，在規定的脈衝條件下，器件允許通過的最大脈衝峯值電流。IPP與最大箝位電壓Vc(MAX) 的乘積，就是瞬態脈衝功率的最大值。 使用時應正確選取TVS，使額定瞬態脈衝功率PPR大於被保護器件或線路可能出現的最大瞬態浪湧功率。 當瞬時脈衝峯值電流出現時，TVS被擊穿，並由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨着脈衝電流呈指數下降，箝位電壓亦下降，恢復到原來狀態。因此，TVS能抑制可能出現的脈衝功率的衝擊，從而有效地保護電子線路。

峯值電流波形

A.正弦半波

B.矩形波

C.標準波(指數波形)

D.三角波

TVS峯值電流的試驗波形採用標準波(指數波形)，由TR/TP決定。

峯值電流上升時間TR:電流從10%IPP開始達到90%IPP的時間。

半峯值電流時間TP:電流從零開始通過最大峯值後，下降到0.5IPP值的時間。

下面列出典型試驗波形的TR/TP值:

A.EMP波:10ns /1000ns

B.閃電波:8μs /20μs

C.標準波:10μs /1000μs

3. 最大反向工作電壓VRWM(或變位電壓)器件反向工作時，在規定的IR下，器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM。通常VRWM =(0.8~0.9)V (BR) 。

在這個電壓下，器件的功率消耗很小。使用時，應使VRWM 不低於被保護器件或線路的正常工作電壓。

4.最大箝位電壓Vc(max ) 在脈衝峯值電流Ipp 作用下器件兩端的最大電壓值稱為最大箝位電壓。

使用時，應使Vc(max )不高於被保護器件的最大允許安全電壓。

最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝位係數。

即:箝位係數=Vc(max )/V(BR) 一般箝位係數為1.3左右。 最大箝位電壓VC(max )的測試方法見4.4。

5.反向脈衝峯值功率PPR TVS的PPR取決於脈衝峯值電流IPP和最大箝位電壓Vc(max )，除此以外，還和脈衝波形、脈衝時間及環境温度有關。

當脈衝時間Tp一定時，PPR =K1...·K2 ·Vc(max ) ·Ipp 式中K1為功率係數，K2為功率的温度係數。

典型的脈衝持續時間tp為1MS，當施加到瞬態電壓抑制二極管上的脈衝時間tp 比標準脈衝時間短時，其脈衝峯值功率將隨tp的縮短而增加。TVS的反向脈衝峯值功率PPR與經受浪湧的脈衝波形有關，用功率係數K1表示，各種浪湧波形的K1值如表1所示。

E=∫i(t).V(t)dt

式中:

i(t)為脈衝電流波形，

V(t)為箝位電壓波形。

這個額定能量值在極短的時間內對TVS是不可重複施加的。但是，在實際的應用中，浪湧通常是重複地出現，在這種情況下，即使單個的脈衝能量比TVS器件可承受的脈衝能量要小得多，但若重複施加，這些單個的脈衝能量積累起來，在某些情況下，也會超過TVS器件可承受的脈衝能量。因此，電路設計必須在這點上認真考慮和選用TVS器件，使其在規定的間隔時間內，重複施加脈衝能量的累積不至超過TVS器件的脈衝能量額定值。

6.電容CPP TVS的電容由硅片的面積和偏置電壓來決定，電容在零偏情況下，隨偏置電壓的增加，該電容值呈下降趨勢。電容的大小會影響TVS器件的響應時間。

7.漏電流IR 當最大反向工作電壓施加到TVS上時，TVS管有一個漏電流IR，當TVS用於高阻抗電路時，這個漏電流是一個重要的參數。

8.TVS器件分類:

按極性可分為:單極性和雙極性兩種;

按用途可分為:通用型和專用型;

按封裝和內部結構可分為:軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。

軸向引線的產品峯值功率可達400W、500W、600W、1500W和5000W。

其中大功率的產品主要用在電源饋線上，低功率產品主要用在高密度安裝場合。對於高密度安裝的場合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。

在選用TVS時，應考慮以下幾個主要因素:

(1)若TVS有可能承受來自兩個方向的尖峯脈衝電壓(浪湧電壓)衝擊時，應當選用雙極性的，否則可選用單極性。

(2)所選用TVS的Vc值應低於被保護元件的最高電壓。Vc是二極管在截止狀態的電壓，也就是在ESD衝擊狀態時通過TVS的電壓，它不能大於被保護迴路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損壞的危險。

(3)TVS在正常工作狀態下不要處於擊穿狀態，最好處於VR以下，應綜合考慮VR和VC兩方面的要求來選擇適當的TVS。

(4)如果知道比較準確的浪湧電流IPP，則可利用VCIpp來確定功率;如果無法確定IPP的大致範圍，則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峯值脈衝功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪湧電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪湧電流的承受能力越大。另外，峯值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境温度有關。 (5)TVS所能承受的瞬態脈衝是不重複的，器件規定的脈衝重複頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重複性脈衝，應考慮脈衝功率的累積，不然有可能損壞TVS。

(6)對於小電流負載的保護，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，一般不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減小。但這樣可能選用峯值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。

(7)電容量C是由TVS雪崩結截面決定的，這是在特定的1 MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數據接口電路選用TVS的重要參數。對於數據/信號頻率越高的迴路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強度也大，因此，需要根據迴路的特性來決定所選器件的電容範圍。高頻迴路一般選擇電容應儘量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大於3 pF)，而對電容要求不高的迴路，電容的容量選擇可高於40pF。

(8)為了滿足IEC61000-4-2國際標準，TVS二極管必須達到可以處理最小8 KV(MB，接觸)和15 kV(BM,空氣)的ESD衝擊，有的半導體生產廠商在自己的產品上使用了更高的抗衝擊標準。而對於某些有特殊要求的便攜設備應用，設計者可以按需要挑選器件。