TVS二極體

TVS二極體與常見的穩壓二極體的工作原理相似，如果高於標誌上的擊穿電壓，TVS二極體就會導通，與穩壓二極體相比，TVS二極體有更高的電流導通能力。TVS二極體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涌功率。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涌脈衝的破壞。

TVS二極體會和要保護的電路並聯。當其電壓超過突崩潰准位時，直接分流過多的電流。TVS二極體是箝位器，會抑制超過其崩潰電壓的過高電壓。當過電壓消失時，TVS二極體會自動復歸，而其吸收的能量比類似額定的撬棒電路要大很多。

TVS二極體有單向的及雙向的。單向的TVS二極體在順向操作時類似整流子，但在其設計允許承受很大的峰值電流，1.5KE系列的瞬間功率可以到1500 W。

雙向的TVS二極體可以視為是二個極性相反的雪崩二極體相串聯，再和要保護的電路並聯。雖然在電路中會標示為二個二極體，不過實際元件是將二個二極體封裝在同一個包裝中。

TVS二極體過電壓反應的速度會比其他的過電壓保護元件（例如壓敏電阻或是氣體放電管）要快。實際的箝位大約只有一皮秒，但因為實際電路中導線存在電感，因此保護元件需容許較長時間的大電壓。因此TVS二極體會比其他元件適合保護電路不受很快，而且有破壞性的電壓突波。像許多分散式的電路都有這種快速的過電壓突波，可能因為內部因素或是外部因素造成，例如閃電或是馬達短路。

瞬態電壓抑制器若使用在超過其設計條件的環境下，可能會損壞。瞬態電壓抑制器的失效模式有三種：短路、開路、元件額定下降。

TVS二極體常會稱為是transorbs，或是Vishay半導體的註冊商標TransZorbs。

一、 TVS器件的工作原理

瞬態（瞬變）電壓抑制二極體簡稱TVS器件，在規定的反嚮應用條件下，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允許的正向浪涌電流在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體相同，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在交流迴路應用十分方便。

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，二極體成為低阻抗的通路。

2. 最大反向脈衝峰值電流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峰值電流。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涌功率。當瞬時脈衝峰值電流出現時，TVS被擊穿，並由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著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。

峰值電流波形

A.正弦半波

B.矩形波

C.標準波（指數波形）

D.三角波

TVS峰值電流的試驗波形採用標準波（指數波形），由TR/TP決定。

峰值電流上升時間TR：電流從10%IPP開始達到90%IPP的時間。

半峰值電流時間TP：電流從零開始通過最大峰值后，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 ) 在脈衝峰值電流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.反向脈衝峰值功率PPR TVS的PPR取決於脈衝峰值電流IPP和最大箝位電壓Vc(max )，除此以外，還和脈衝波形、脈衝時間及環境溫度有關。

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

典型的脈衝持續時間tp為1MS，當施加到瞬態電壓抑制二極體上的脈衝時間tp 比標準脈衝時間短時，其脈衝峰值功率將隨tp的縮短而增加。TVS的反向脈衝峰值功率PPR與經受浪涌的脈衝波形有關，用功率係數K1表示，各種浪涌波形的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，浪涌通常是重複地出現，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的電容由矽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：軸向引線二極體、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。

軸向引線的產品峰值功率可達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峰脈衝電壓(浪涌電壓)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是二極體在截止狀態的電壓，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涌電流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能承受的最大峰值脈衝功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境溫度有關。 (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。但這樣可能選用峰值功率較小的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是數據介面電路選用TVS的重要參數。對於數據/信號頻率越高的迴路，二極體的電容對電路的干擾越大，形成雜訊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盡量小(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二極體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。

TVS二極體有以下的規格：

● 漏電流：在電壓小於最大反向關斷電壓時，可以導通的電流。Leakage current: the amount of current conducted when voltage applied is below the maximum reverse standoff voltage.

● 最大反向關斷電壓：在此電壓以下，導流電流不明顯

● 擊穿電壓：會出現顯導通電流的電壓。

● 箝位電壓：導通電流會到其額定電流（數百到數千安培）的電壓。

● 雜散電容：未導通的二極體其特性類似電容器，對於高頻信號有破壞性的效果，一般會建議選用雜散電壓較低的TVS二極體。

● 雜散電感：因為實際過電壓的切換很快，包裝的電感是反應速度的限制因素之一。

● 可吸收的能量：因為暫態很短，所有的能量都變成TVS二極體本身的熱，散熱片只會影響之後散熱需要的時間，無法提升TVS二極體可吸收的能量。因此高能量的TVS二極體也會有較大的體積。若體積不夠大，過電壓可能會破壞TVS二極體，也就無法保護其他的電路。