TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管原理應用特性

瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點是在反向應用條件下，當承受一個高能量的大脈沖時，其工作阻抗立即降至極低的導通值，從而允許大電流通過，同時把電壓鉗制在預定水平，其響應時間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10ms條件下，可達50～200A。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓鉗制到預定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。可用于防雷擊、防過電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS(Transient Voltage Suppression)是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現(xiàn)對后級電路的保護。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結電容、響應時間等。

TVS的響應時間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應速度都可滿足要求。TVS管的結電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級，低結電容型TVS的結電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級。一般分立式TVS的結電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應主要選用低結電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當通過TVS管的過電流增大時，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細保護的電子電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

TVS具有的另一個優(yōu)點是可靈活選用單向或雙向保護器件，在單極性的信號電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

TVS管主要可用于直流電源、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。但當通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對較長。

瞬態(tài)電壓抑制器是一種二極管形式的高效能保護器件，具有極快的響應時間和相當高的浪涌吸收能力。當TVS的兩端受到反向瞬態(tài)過壓脈沖時，能以極 高的速度把兩端間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收瞬間大電流，并將電壓箝制在預定數(shù)值，從而有效保護電路中的元器件免受損壞。本文講述了TVS器件的主要特性 參數(shù)和選用注意事項，同時給出了TVS在電路設計中的應用方法。

1 TVS器件的特性及主要參數(shù)

1.1 TVS的器件特性

在規(guī)定的反向應用條件下，TVS對受保護的線路呈高阻抗狀態(tài)。當瞬間電壓超過其擊穿電壓時，TVS就會提供一個低阻抗的路徑，并通過大電流方式 使流向被保護元器件的瞬間電流分流到TVS二極管，同時將受保護元器件兩端的電壓限制在TVS的箝制電壓。當過壓條件消失后，TVS又恢復到高阻抗狀態(tài)。 與陶瓷電容相比，TVS可以承受15 kV的電壓，但陶瓷電容對高壓的承受能力比較弱。5 kV的沖擊就會造成約10%陶瓷電容失效，而到10 kV時，其損壞率將高達到60%。

1.2 TVS器件的主要參數(shù)

(1)最小擊穿電壓VBR

當TVS流過規(guī)定的電流時，TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，在此區(qū)域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃時，低于這個電壓，TVS是不會發(fā)生雪崩擊穿的。

(2)額定反向關斷電壓VWM

VWM是TVS在正常狀態(tài)時可承受的電壓，此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護電路的正常工作電壓接近，這樣 才不會在TVS工作以前使整個電路面對過壓威脅。按TVS的VBR與標準值的離散度，可把VBR分為5%和10%兩種，對于5%的VBR來 說，VWM=0.85VBR腿;而對于10%的VBR來說，VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脈沖電流IPP

Ipp是TVS在反向狀態(tài)工作時，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。

(4)箝位電壓Vc

當脈沖峰值電流Ipp流過TVS時，其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之 比稱為箝位因子(系數(shù))，其值一般在1.2～1.4之間。實際使用時，應使Vc不大于被保護電路的最大允許安全電壓，否則被保護器件將面臨被損壞的可能。

(5)最大峰值脈沖功耗PM

PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積，也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電 壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重 復施加的。

(6)電容量C

TVS的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來決定的，它是在1 MHz特定頻率下測得的。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，電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

(7)漏電流IR

IR是最大反向工作電壓施加到TVS上時，TVS管的漏電流。當TVS用于高阻抗電路時，這個漏電流IR一個重要參數(shù)。

2選用TVS的注意事項

在選用TVS時，根據(jù)電路的具體情況，一般應考慮以下幾個主要因素：

首先，由于雙向TVS可以在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓箝制到預定水平。因此，若電路有可能承受來自兩個方向的浪涌電壓沖擊時， 應當選用雙向TVS。雙向TVS一般適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。另外，箝位電壓Vc不大于被保護電路的最大允許安全電壓。

其次，就是最大峰值脈沖功耗PM必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。但是，在實際應用過程中，浪涌有可能重復地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單 個的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但是，如果重復施加，這些單個的脈沖能量積累起來，也可能在某些情況下超過TVS器件所能承受的脈沖 能量。因此，在電路設計時，必須在這點上認真考慮并選用合適的TVS器件，以使其在規(guī)定的間隔時間內，重復施加脈沖能量的累積不至于超過TVS器件的脈沖 能量額定值。

第三，在實際應用過程中，對最大反向工作電壓必須有正確的選取，一般原則是以交流電壓的1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1～1.2倍來選取TVS管的最高反向工作電壓。

3 TVS在電路設計中的典型應用

在實際的應用電路中，處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時電流從敏感器件引開。為達到這一目的，將TVS在線路板上與被保護線路并 聯(lián)。這樣，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TNS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路，其結果是瞬時電流通過TVS被引開，從而避 開被保護器件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。