天微電子課堂 | 瞬變抑制二極管的常見應用

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瞬變抑制二極管（TVS）又名箝位二極管，是國際間普遍採用的一種高效電路保護元件。其外觀與普通二極管相似，卻能吸收高達數千瓦的浪湧功率。

TVS的主要特性是在反接情況下，當遇到高能量脈衝時，其阻抗會瞬間降至極低的導通值，容許大電流通過，同時將電壓箝制在預定水平。其反應時間僅需10-12納秒，因此能有效保護電子線路中的精密組件。

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在標準溫度（25°C）及10ms脈衝時間下，TVS允許的正向浪湧電流可達50至200安培。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬間大脈衝功率，並將電壓箝制於預定水平，適用於交流電路；單向TVS則多用於直流電路。

TVS可用於防雷擊、防過電壓、抗干擾、吸收浪湧功率等，是理想的保護元件。其耐受力以瓦特（W）作單位。

TVS（Transient Voltage Suppression）屬於限壓保護元件，作用與壓敏電阻有點相似。它利用元件的非線性特性，將過高電壓箝制到較低水平，從而保護後級電路。

TVS管的主要參數包括：反向擊穿電壓、最大箝位電壓、瞬間功率、結電容、反應時間等。

TVS的反應時間可達皮秒級，是限壓型浪湧保護元件中最快的。用於電子電路的過電壓保護時，其反應速度一般都能滿足要求。

TVS管的結電容根據製造工藝不同，大致可分為兩種類型：高結電容型TVS一般在幾百至幾千pF；低結電容型TVS的結電容則在幾pF至幾十pF。分立式TVS的結電容通常較高，而表貼式TVS管則兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應優先選用低結電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻更好，當過電流增大時，TVS管的箝位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此能提供比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在許多需要精細保護的電子電路中，使用TVS管是較佳的選擇。

TVS管的通流容量在限壓型浪湧保護器中是最小的，一般用於最末級的精細保護。因其通流量小，一般不適用於交流電源線路的保護。在直流電源的防雷電路中使用TVS管時，通常需要與壓敏電阻等通流容量較大的元件配合。TVS管便於集成，非常適合在印刷電路板上使用。

TVS的另一優點是可靈活選用單向或雙向保護元件。在單極性的信號電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可獲得較低的殘壓。

設計電路時，TVS的反向擊穿電壓、通流容量是重點考慮因素。在直流迴路中，應滿足：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，其中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流迴路中的電壓峰值。

TVS管主要可用於直流電源、信號線路、天饋線路的防雷保護。TVS管的失效模式主要是短路。但當通過的過電流過大時，也可能導致TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對較長。

TVS二極管的應用已非常廣泛，涵蓋電腦系統、通訊設備、交/直流電源、汽車、電子鎮流器、家電、儀表儀錶（如電度錶）、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDA、GPS、CDMA、GSM、數碼相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅動接收保護、馬達電磁波干擾抑制、音頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控迴路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個領域。

TVS器件的主要電參數

（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湧功率。

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，按用途可分為通用型器件和專用型器件，例如各種交流電壓保護器、4~200mA電流保護器、數據線保護器、同軸電纜保護器、電話機保護器等。若按封裝及內部結構分，可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列（適用於多線保護）、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

TVS二極管的特点

（1）將TVS二極管加在信號線及電源線上，能防止微處理器或單片機因瞬間的脈衝，如靜電放電效應、交流電源之浪湧及開關電源的噪音所導致的失靈。

（2）靜電放電效應能釋放超過10000伏特、60安培以上的脈衝，並能持續10毫秒；而一般的TTL器件，遇到超過30毫微秒的10伏特脈衝時，便會導致損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會造成器件損壞的脈衝，並能消除由總線之間開關所引起的干擾（串音）。

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

TVS的選用技巧

（1）確定被保護電路的最大直流或連續工作電壓、電路的額定標準電壓和「高端」容限。

（2）TVS額定反向關斷VWM應大於或等於被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串聯連接分電壓，並聯連接分電流。

（3）TVS的最大箝位電壓VC應小於被保護電路的損壞電壓。

（4）在規定的脈衝持續時間內，TVS的最大峰值脈衝功耗PM必須大於被保護電路內可能出現的峰值脈衝功率。在確定了最大箝位電壓後，其峰值脈衝電流應大於瞬態浪湧電流。

（5）對於數據接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

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

（7）溫度考慮。瞬變電壓抑制器可以在－55℃至+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度工作，因其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大；功耗隨TVS結溫增加而下降，從+25℃至+175℃，大約線性下降50%。擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的係數增加。因此，必須查閱有關產品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。

TVS保護原理

處理瞬時脈衝對元件損害的最佳方法，是把瞬時電流從感應元件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路並聯，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓後，TVS二極管便產生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路。其結果是瞬時電流透過二極管被引開，避開被保護元件，並且在電壓恢復正常值之前使被保護迴路一直保持箝位電壓。當瞬時脈衝結束以後，TVS二極管自動恢復高阻狀態，整個迴路進入正常電壓。許多元件在承受多次衝擊後，其參數及性能會產生退化，但只要工作在限定範圍內，二極管將不會產生損壞或退化。

從以上過程可以看出，在選擇TVS二極管時，必須注意以下幾個參數的選擇：

1、最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓，在25℃時，低於這個電壓TVS是不會產生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(IR)時，加於TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對於5%的VBR來說，VWM=0.85VBR；對於10%的VBR來說，VWM=0.81VBR。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8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD衝擊，部分半導體廠商在自己的產品上使用了更高的抗衝擊標準。對於某些有特殊要求的可攜設備應用，設計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下可承受的電壓，此電壓應大於或等於被保護電路的正常工作電壓，否則二極管會不斷截斷迴路電壓；但它又需要盡量與被保護迴路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVS工作以前使整個迴路面對過壓威脅。當這個額定反向切斷電壓VWM加於TVS的兩極間時，它處於反向切斷狀態，流過它的電流應小於或等於其最大反向漏電流ID。

3、最大箝位電壓VC和最大峰值脈衝電流IPP。當持續時間為20ms的脈衝峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態提供的電壓，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，否則元件面臨被損傷的危險。

4、Pppm額定脈衝功率，這是基於最大截止電壓和此時的峰值脈衝電流。對於手機設備，一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈衝功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈衝功耗值。在特定的最大箝位電壓下，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，箝位電壓VC越低，其突波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。而且，TVS所能承受的瞬態脈衝是不重覆的，元件規定的脈衝重覆頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重覆性脈衝，應考慮脈衝功率的累積，有可能損壞TVS。

5、電容器量C。電容器量C是由TVS雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使訊號衰減。因此，C是數據介面電路選用TVS的重要參數。電容器對於數據/訊號頻率越高的迴路，二極管的電容器對電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號強度，因此需要根據迴路的特性來決定所選元件的電容器範圍。高頻迴路一般選擇電容器應盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不超過3pF)，而對電容器要求不高的迴路電容器選擇可高於40pF。

TVS二極管特性曲線：