瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫箝位型二極管，是目前國(guó)際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)把電壓箝制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護(hù)電子線(xiàn)路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10ms條件下，可達(dá)50～200A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平，雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚?、防過(guò)電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護(hù)器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS器件的電特性

(1)單向TVS的V-I特性

如圖1所示，單向TVS的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點(diǎn)近似“直角”為硬擊穿，為典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點(diǎn)到VC值所對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)段表明，當(dāng)有瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，并保持在這一水平上。

(2)雙向TVS的V-I特性

如圖2所示，雙向TVS的V-I特性曲線(xiàn)如同兩只單向TVS“背靠背”組合，其正反兩個(gè)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(duì)稱(chēng)關(guān)系為：0.9≤V(BR)(正)/V(BR)(反)≤1.1，一旦加在它兩端的干擾電壓超過(guò)箝位電壓VC就會(huì)立刻被抑制掉，雙向TVS在交流回路應(yīng)用十分方便。

TVS器件的主要電參數(shù)

(1)擊穿電壓V(BR)

器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流I(BR)下，測(cè)得器件兩端的電壓稱(chēng)為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

(2)最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。IPP與最大箝位電壓VC(MAX)的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。

使用時(shí)應(yīng)正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護(hù)器件或線(xiàn)路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

圖3表明當(dāng)瞬時(shí)脈沖峰值電流出現(xiàn)時(shí)，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，箝位電壓亦下降，恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。因此，TVS能抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護(hù)電子線(xiàn)路。

TVS峰值電流的試驗(yàn)波形采用標(biāo)準(zhǔn)波(指數(shù)波形)，由TR/TP決定。

峰值電流上升時(shí)間TR:電流從0.1IPP開(kāi)始達(dá)到0.9IPP的時(shí)間。

半峰值電流時(shí)間TP：電流從零開(kāi)始通過(guò)最大峰值后，下降到0.5IPP值的時(shí)間。其波形如圖4所示。

(3)最大反向工作電壓VRWM(或變位電壓)

器件反向工作時(shí)，在規(guī)定的IR下，器件兩端的電壓值稱(chēng)為最大反向工作電壓VRWM。通常VRWM=(0.8～0.9)V(BR)。在這個(gè)電壓下，器件的功率消耗很小。使用時(shí)，應(yīng)使VRWM不低于被保護(hù)器件或線(xiàn)路的正常工作電壓。

(4)最大箝位電壓VC(max )

在脈沖峰值電流Ipp 作用下器件兩端的最大電壓值稱(chēng)為最大箝位電壓。使用時(shí)，應(yīng)使VC(max )不高于被保護(hù)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(chēng)為箝為系數(shù)。即：

箝位系數(shù)=VC(max )/V(BR)

一般箝位系數(shù)為1.3左右。

(5)反向脈沖峰值功率PPR

TVS的PPR取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓VC(max )，除此以外，還和脈沖波形、脈沖時(shí)間及環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)脈沖時(shí)間Tp 一定時(shí)，PPR=K1??????K2?VC(max )?Ipp

式中K1為功率系數(shù)，K2為功率的溫度系數(shù)。

典型的脈沖持續(xù)時(shí)間tp 為1MS，當(dāng)施加到瞬態(tài)電壓抑制二極管上的脈沖時(shí)間tp 比標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)間短時(shí)，其脈沖峰值功率將隨tp 的縮短而增加。

圖5給出了PPR 與tp的關(guān)系曲線(xiàn)。TVS的反向脈沖峰值功率PPR與經(jīng)受浪涌的脈沖波形有關(guān)，用功率系數(shù)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)為脈沖電流波形，V(t) 為箝位電壓波形。

這個(gè)額定能量值在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)TVS是不可重復(fù)施加的。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，浪涌通常是重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個(gè)的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復(fù)施加，這些單個(gè)的脈沖能量積累起來(lái)，在某些情況下，也會(huì)超過(guò)TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計(jì)必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時(shí)間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至超過(guò)TVS器件的脈沖能量額定值。

(6)電容CPP

TVS的電容由硅片的面積和偏置電壓來(lái)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(shì)。電容的大小會(huì)影響TVS器件的響應(yīng)時(shí)間。

(7)漏電流IR

當(dāng)最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí)，TVS管有一個(gè)漏電流IR，當(dāng)TVS用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流是一個(gè)重要的參數(shù)。

TVS二極管的分類(lèi)

TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性?xún)煞N，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專(zhuān)用型器件。如：各種交流電壓保護(hù)器、4~200mA電流環(huán)保器、數(shù)據(jù)線(xiàn)保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、電話(huà)機(jī)保護(hù)器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線(xiàn)二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線(xiàn)保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

TVS二極管的應(yīng)用

目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車(chē)、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)、電機(jī)電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。

TVS二極管的特點(diǎn)

(1)將TVS二極管加在信號(hào)及電源線(xiàn)上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的肪沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

(2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過(guò)10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線(xiàn)之間開(kāi)關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

(3)將TVS二極管放置在信號(hào)線(xiàn)及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線(xiàn)受到不必要的噪音影響。

TVS的選用技巧

(1)確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。

(2)TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。

(3)TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

(5)對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

(6)根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線(xiàn)保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

(7)溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作。如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線(xiàn)性下降50%雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。