天微電子課堂 | TVS選型全攻略 : 由理論到實踐

TVS（瞬態電壓抑制器）在電子工程中主要用於埠口防護，防止瞬間電壓衝擊損壞後級電路。儘管其重要性不言而喻，但在實際應用中，TVS的選型過程往往缺乏理論計算作指導，多數情況下仍依賴工程師的經驗或參考推薦電路。

本文旨在透過詳細解析選型過程，協助新入行及資深的電子工程師，在不同應用場景下，選擇最合適的TVS器件。

TVS工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管，分單向與雙向兩種，用於保護電路免受異常過電壓的損害。單向TVS常用於直流電路，而雙向TVS則用於交流電路。在正常工作狀態下，TVS呈現高阻抗，不影響電路運作；當遭遇異常過電壓時，TVS會迅速轉為低阻抗狀態，將過量電流洩放並將電壓鉗制在安全水平，從而保護後級電路。一旦過電壓消失，TVS便會恢復其高阻抗狀態。

TVS關鍵參數

V_RWM 截止電壓 (Reverse Stand-off Voltage)

TVS的最高工作電壓（V_RWM）是指TVS可以持續承受而不致損壞的最高峰值電壓。為防止TVS在電路正常運作時誤動作，從而影響電路穩定性，電路的最高工作電壓必須小於V_RWM。

I_R 漏電流 (Reverse Leakage Current)

漏電流（I_R）是指TVS在截止狀態下（於V_RWM下測量）的最大電流。對於模擬信號埠而言，漏電流會直接影響採樣精度，因此，TVS的漏電流越小，性能越優越。

V_BR 擊穿電壓 (Breakdown Voltage)

擊穿電壓V_BR是指TVS在1mA測試電流下的電壓值。V_BR存在±5%的偏差範圍，合規產品的V_BR必須處於V_BR(min)和V_BR(max)之間。

I_PP 峰值脈衝電流 & V_C 鉗位電壓 (Peak Pulse Current & Clamping Voltage)

峰值脈衝電流I_PP（通常以8/20μs波形定義）和鉗位電壓V_C是衡量TVS保護能力的兩大核心參數。I_PP反映了TVS承受脈衝衝擊的能力，而V_C則反映了其限制電壓的能力。對於同型號的TVS，I_PP越大，代表其耐衝擊能力越強；V_C則越小，代表其鉗位特性越好。

C_J 結電容 & I_R 漏電流 (Junction Capacitance & Reverse Leakage Current)

結電容C_J是TVS內部的寄生電容，在高速IO埠的保護設計中尤為關鍵，過大的結電容可能會劣化信號質量。漏電流I_R則主要帶來功率損耗，或在模擬信號電路中，影響A/D轉換的採樣值。

TVS選型流程

熟悉TVS的基本參數後，便可進入最重要的選型環節。在選擇TVS之前，首先要明確三大目標：

電壓合適：能有效保護後級電路。

影響最小：引入的結電容不會影響電路正常運作。

功率充足：功率餘量足夠，滿足測試標準，且其損壞時序不能早於保險絲。

選型可按以下步驟進行：

選擇TVS最高工作電壓 V_RWM

選擇TVS鉗位電壓 V_C

選擇TVS的功率 P_PPM (或 I_PP)

評估漏電流 I_R 的影響

評估結電容 C_J 的影響

01、選擇TVS最高工作電壓 V_RWM

在電路正常工作時，TVS應處於不工作的截止狀態。因此，TVS的截止電壓必須大於被保護電路的最高工作電壓，以確保TVS不會干擾電路的正常運作。然而，V_RWM的高低也直接決定了鉗位電壓V_C的高低。在確保V_RWM大於線路正常工作電壓的前提下，V_RWM亦不宜選得過高，否則會導致V_C過高，削弱保護效果。故此，選擇V_RWM時，需綜合考慮被保護電路的工作電壓及後級電路的耐壓能力。一般可參考以下公式：

V_RWM ≈ 1.1 ~ 1.2 * V_CC

其中，V_CC為電路的最高工作電壓。若V_RWM小於工作電壓，會導致TVS反向漏電流急增，接近導通或進入雪崩擊穿狀態，從而影響電路正常工作。

02、選擇TVS鉗位電壓 V_C

TVS的鉗位電壓V_C必須小於後級被保護電路所能承受的最高瞬態安全電壓。V_C與TVS的雪崩擊穿電壓V_BR及峰值脈衝電流I_PP成正比。對於同一功率等級的TVS，V_BR越高，V_C也越高。因此，所選TVS的最大鉗位電壓V_C絕不能大於被保護電路可承受的最大電壓，否則，當TVS將電壓鉗制在V_C時，本身就會對後級電路造成損壞。V_C的選擇可參考以下公式：

V_C < V_max

其中，V_max為後級電路能承受的最高瞬態電壓。

03、選擇TVS的功率 P_PPM (或 I_PP)

TVS的額定瞬態功率必須大於電路中可能出現的最大瞬態浪湧功率。理論上，TVS功率越大越好，能承受更多衝擊能量和次數，但功率越高，封裝尺寸越大，成本也越高。因此，TVS的功率只需滿足設計要求即可。對於不同功率等級的TVS，相同電壓規格的V_C值基本一致，區別在於I_PP。故P_PPM與I_PP成正比，I_PP越大，P_PPM也越大。

針對特定電路，通常有對應的測試要求。設實際電路中的最大測試電壓為U_actual，測試電路內阻為R_i，則實際峰值脈衝電流I_actual可估算為：

I_actual = U_actual / R_i

TVS必須能通過測試，故其功率需滿足要求。在特定測試波形（如8/20μs或10/1000μs）下，TVS需承受的最小功率P_actual可透過相關公式計算得出（註：原文公式不完整，此處保留其邏輯）。在實際選型中，TVS應保留一定餘量，其功率P_PPM的選擇應遵循：

P_PPM > P_actual

04、根據結電容和漏電流評估影響

若TVS應用於高速IO埠防護、模擬信號採樣或低功耗設備等場合，就必須重點考慮結電容C_J和漏電流I_R的影響，此兩項參數越小越好。

實際選型舉例

已知條件：

電路正常工作電壓 V_CC：24V

電路最高工作電壓 V_max：26V

後級電路可承受的最高瞬態電壓：50V

實驗測試波形：8/20μs