01、TVS瞬態抑制二極管的工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是採用半導體工藝製成的單個PN結或多個PN結集成的器件。TVS分為單向與雙向兩種，單向TVS一般應用於直流供電電路，而雙向TVS則應用於電壓交變的電路。如圖1所示，當應用於直流電路時，單向TVS會反向並聯於電路中。在電路正常工作時，TVS處於截止狀態（高阻態），不會影響電路的正常運作。一旦電路出現異常過電壓，並達到TVS的（雪崩）擊穿電壓時，TVS會迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態，將由異常過電壓所導致的瞬時過電流引導至地，同時將異常過電壓箝制在一個較低的水平，從而保護後級電路免受異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失後，TVS的阻值便會恢復為高阻態。

TVS瞬態抑制二極管的伏安特性曲線及相關參數說明如圖2所示。雙向TVS二極管系列產品的伏安特性曲線，其第一象限與第三象限的極性相反，但特性相似，如圖3。當TVS處於反向偏置時，它有兩種工作模式：待機（高阻抗）或箝制（相對的低阻抗），如圖2的第三象限所示。在待機狀態下，流過TVS的電流稱為待機電流或漏電流，該電流的大小會隨TVS的結溫而變化。在TVS的伏安特性曲線中，由高阻抗（待機）向低阻抗（箝位）的轉變點，即為雪崩擊穿的開始。當TVS完全進入雪崩擊穿狀態時，它會瞬間將高電壓轉化為流經其本體的大電流，並同時保持PN結兩端一個相對較低的箝位電壓。

02、TVS瞬態抑制二極管的特點

高可靠性：TVS內部芯片為半導體矽材料，採用半導體工藝製成，因此具有較高的可靠性。

低動態內阻與箝位電壓：TVS具有較低的動態內阻，其箝位電壓亦相對較低。

極快響應速度：與其他過壓保護器件相比，TVS的響應速度更快。

高電壓精度：TVS的電壓精度高，擊穿電壓一般為±5%的偏差。在特殊應用場合，更可通過工藝改善或參數篩選，達到更高的精度。

封裝多樣化：TVS的封裝形式多樣，貼片封裝有SOD-123、SMA (DO-214AC)、SMB(DO-214AA)、SMC(DO-214AB)、DO-218AB等；插件封裝則有DO-41、DO-15、DO-201、P-600等。

寬廣的功率與電壓範圍：TVS在10/1000μs波形下，其瞬態功率可達200W~30000W，甚至更高。在8/20μs波形下，瞬態峰值脈衝電流可達3kA、6kA、10kA、16kA、20kA甚至更高。其工作電壓範圍可從3.3V覆蓋至600V，甚至更高。

03、TVS瞬態抑制二極管的典型應用

由於TVS具備響應速度快、箝位電壓低、電壓精準等優點，因此被廣泛應用於對保護器件要求較高的場合，例如汽車電子、工業控制、照明、通訊等行業，具體應用於DC電源線、RS485接口、通訊電源、I/O埠等。圖4至圖6展示了一些典型的應用案例。

04、TVS瞬態抑制二極管的命名規則

05、TVS瞬態抑制二極管的電性參數

VRWM 截止電壓，IR 漏電流

表1為TVS的規格參數，下文將針對這些參數進行簡要介紹：

VRWM - 截止電壓：此為TVS的最高工作電壓，指可持續施加於TVS而不致引起其劣化或損壞的最大直流電壓或交流峰值電壓。在VRWM下，TVS呈現高阻態，可視為不工作（即不導通）狀態。

IR - 漏電流：亦稱待機電流。指在規定溫度和最高工作電壓（VRWM）條件下，流過TVS的最大電流。TVS的漏電流通常在截止電壓下測量，對於某一特定型號的TVS，其IR值應在規定範圍內。

VRWM和IR的測試回路如圖7所示。對TVS兩端施加電壓值為VRWM，從電流表中讀出的電流值即為TVS的漏電流IR，其中虛線框表示單向TVS的測試回路。以我司型號為SMBJ5.0A的TVS為例，當施加在TVS兩端的電壓為5VDC時，流過TVS的電流應小於800μA。對於同功率和同電壓的TVS，當VRWM≤10V時，雙向TVS的漏電流約為單向TVS漏電流的2倍。

VBR 擊穿電壓

擊穿電壓，是指在V-I特性曲線上，在規定的脈衝直流電流IT或接近發生雪崩的電流條件下，測得TVS兩端的電壓。對於低壓TVS，由於漏電流較大，因此測試電流IT的選取值也較大，例如SMBJ5.0A，其測試電流IT選取為10mA。VBR測試電路如圖8所示，使用脈衝恆流源對TVS施加IT大小的電流時，讀取TVS兩端的電壓即為擊穿電壓。電流施加時間應不超過400ms，以免造成TVS因受熱而損壞。測量時，若VBR值落在VBR MIN.和VBR MAX.之間，則視為合格品。

IPP 峰值脈衝電流 / VC 箝位電壓

IPP，峰值脈衝電流：指給定脈衝電流波形的峰值。TVS一般選用10/1000μs電流波形（圖9）進行測試。

VC，箝位電壓：指當施加規定波形的峰值脈衝電流IPP時，在TVS兩端測得的峰值電壓。

IPP及VC是衡量TVS在電路保護中抵抗浪湧脈衝電流及限制電壓能力的關鍵參數，這兩者相互關聯。對於TVS在防雷保護電路中的箝位特性，可參考VC這個參數。對於相同型號的TVS，在相同IPP下的VC值越小，說明其箝位特性越好。TVS的耐脈衝電流衝擊能力則可參考IPP，同型號的TVS，IPP越大，代表其耐脈衝電流衝擊能力越強。

下圖（圖10）為TVS峰值脈衝電流與箝位電壓的測量試驗回路示意圖。測量時應考慮到TVS的散熱問題，兩次測試之間的時間間隔不能太短，以免對TVS造成損壞。

06、TVS 選型注意事項

最高工作電壓 VRWM

在電路正常工作情況下，TVS應處於截止狀態，即不工作。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不會在電路正常運作時影響其工作。然而，TVS的工作電壓高低也直接決定了其箝位電壓的高低。在滿足截止電壓大於線路正常工作電壓的前提下，TVS的工作電壓亦不宜選擇過高，否則箝位電壓也會隨之升高。因此，在選擇VRWM時，必須綜合考慮被保護電路的工作電壓以及後級電路的耐壓能力。

TVS 功率選型

所選產品的額定瞬態功率應大於電路中可能出現的最大瞬態浪湧功率，具體可參照以下計算方法。

TVS的額定功率記為PPPM，則PPPM可估算為：PPPM=VC x IPP

其中，VC為TVS的箝位電壓，IPP為TVS在10/1000μs波形下的峰值脈衝電流。

對於不同功率等級的TVS，相同電壓規格的TVS其VC值是相同的，區別僅在於IPP。因此，PPPM與IPP成正比，IPP越大，PPPM也越大。

對於某一特定電路，若有其對應的測試要求，設實際電路中的最大測試電流為Iactual，則Iactual可估算為：

其中Uactual為測試電壓，Ri為測試內阻。

TVS要通過測試，則實際電路中要求TVS在10/1000μs波形下的最小功率Pactual為：

其中 為波形轉換係數。若實際測試波形為其他波形（如8/20μs波形），建議選取需諮詢我司技術人員，因K值與TVS的材質有關。

在實際選型中，TVS應留有一定的裕量，其功率PPPM的選擇應遵循：PPPM ≥ Pactual。

VC 箝位電壓

TVS的箝位電壓應小於後級被保護電路所能承受的最大瞬態安全電壓。大多數TVS的VC與VBR及IPP均成正比。對於同一功率等級的TVS，其擊穿電壓越高，VC也越高。

IR 漏電流

在一些低功耗電路或高精度採集電路中，過大的IR可能導致電路功耗過大或信號採集精度超標。由於低壓（VRWM＜10V）TVS的IR較大，如果後級電路的耐受能力較強，應盡量選擇10V或以上的TVS；若後級電路耐受能力不足，則需選擇IR小且電壓低的TVS，我司亦可提供此類產品。

結電容

TVS的結電容一般在幾十皮法至幾十納法之間。對於同一功率等級的TVS，其電壓越低，電容值通常越大。在一些通訊線路中，必須注意TVS的結電容不能過大，以免影響電路的正常工作。

封裝形式

TVS的功率等級亦可從其封裝形式上體現。一般而言，封裝體積越小，其功率也越小，因為TVS的芯片面積直接決定了其功率等級。電路工程師可根據電路設計及測試要求，選擇合適封裝的TVS器件。