在電子設備的世界里，各種電路時刻面臨著瞬態(tài)過電壓的威脅，這些瞬間出現(xiàn)的高壓尖峰可能來自靜電放電、雷擊、電源浪涌等，它們就像隱藏在暗處的 “殺手”，隨時可能對電路中的精密元器件造成損害，影響設備的正常運行，甚至導致設備永久性損壞。而瞬態(tài)抑制 TVS 二極管，正是為應對這一挑戰(zhàn)而誕生的電路保護 “衛(wèi)士”。

一、TVS 二極管是什么

TVS，即 Transient Voltage Suppressor 的縮寫，中文名為瞬態(tài)抑制二極管 ，是一種新型高效電路保護器件 。它外觀與普通二極管相似，但其功能卻有著獨特之處。TVS 二極管的核心使命是在電路遭遇瞬態(tài)過電壓時，迅速發(fā)揮作用，保護其他電路元件免受損害 。

二、TVS 二極管的工作原理

TVS 二極管的工作基于 PN 結的雪崩擊穿效應 。在正常工作狀態(tài)下，TVS 二極管兩端所加電壓低于其擊穿電壓，此時它處于高阻態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過，如同電路中的 “旁觀者”，對電路正常運行幾乎沒有影響 。

一旦電路中出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓，且電壓幅值超過 TVS 二極管的擊穿電壓，PN 結就會迅速進入雪崩擊穿狀態(tài) 。在這一狀態(tài)下，PN 結內的電子和空穴在強電場作用下被加速，它們高速運動并與晶格原子發(fā)生碰撞，產生大量新的電子 - 空穴對 。這些新產生的載流子又進一步參與碰撞，形成連鎖反應，使得 PN 結中的電流急劇增大 。此時，TVS 二極管的阻抗驟然降低，相當于在瞬間變成了一條低阻抗的通路，能夠允許大電流通過 。通過這個低阻抗通路，瞬態(tài)過電壓產生的浪涌電流被引導至接地端，同時 TVS 二極管將兩端電壓箝制在一個預定的較低水平，從而保護了與之并聯(lián)的后續(xù)電路元件，使其免受過高電壓的沖擊 。整個過程極為迅速，響應時間可達到亞納秒級，能在極短時間內完成對電路的保護 。

三、TVS 二極管的特性參數(shù)

擊穿電壓(VBR)：這是 TVS 二極管開始進入雪崩擊穿狀態(tài)的電壓值 。當 TVS 二極管兩端電壓達到 VBR 時，其內部 PN 結開始擊穿導通 。在 25℃環(huán)境溫度下，當流過 TVS 二極管的電流為規(guī)定的測試電流(如 1mA)時，此時加在 TVS 二極管兩極間的電壓就是其最小擊穿電壓 VBR 。不同型號的 TVS 二極管，擊穿電壓有不同的標稱值，且根據(jù)其與標準值的離散程度，可分為 ±5% VBR 和 ±10% VBR 兩種 。

最大反向關斷電壓(VWM)：這是 TVS 二極管能夠持續(xù)承受的最大反向直流電壓或脈沖電壓 。當電路中施加的反向電壓處于 VWM 及以下時，TVS 二極管處于反向關斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流 ID 。通常情況下，對于 ±5% VBR 的 TVS 二極管，VWM = 0.85VBR;對于 ±10% VBR 的 TVS 二極管，VWM = 0.81VBR 。在實際應用中，需要確保電路的正常工作電壓不超過 TVS 二極管的 VWM，以保證 TVS 二極管在正常狀態(tài)下不會導通 。

最大箝位電壓(VC)：當持續(xù)時間為特定值(如 20 微秒)的脈沖峰值電流 IPP 流過 TVS 二極管時，在其兩極間出現(xiàn)的最大峰值電壓即為 VC 。VC 反映了 TVS 二極管在承受瞬態(tài)過電壓時，能夠將電壓箝制到的最高水平 。它是由串聯(lián)電阻上的電壓以及溫度系數(shù)等因素共同作用導致的電壓上升的組合 。VC 與 VBR 之比稱為箝位因子，一般在 1.2 - 1.4 之間 。在選擇 TVS 二極管時，必須保證其最大箝位電壓 VC 低于被保護電路元件所能承受的最大電壓，這樣才能確保在瞬態(tài)過電壓出現(xiàn)時，被保護元件不會因電壓過高而損壞 。

最大峰值脈沖電流(IPP)：這是 TVS 二極管在規(guī)定的脈沖條件下，能夠允許通過的最大脈沖峰值電流 。IPP 與最大箝位電壓 VC 的乘積，就是 TVS 二極管所能承受的瞬態(tài)脈沖功率的最大值 。在實際應用中，需要根據(jù)電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，選擇合適 IPP 值的 TVS 二極管，以保證其能夠有效應對瞬態(tài)過電壓的沖擊 。

電容量(C)：電容量 C 由 TVS 二極管雪崩結的截面決定，是在特定的 1MHz 頻率下測得的 。一般來說，C 的大小與 TVS 二極管的電流承受能力成正比 。然而，在一些對信號傳輸質量要求較高的電路中，如高頻數(shù)據(jù)傳輸線路，過大的電容會對信號產生衰減，影響信號的完整性 。因此，在這些應用場景中，需要選擇電容值較小的 TVS 二極管 。

最大反向漏電流(ID)：當最大反向工作電壓 VWM 施加到 TVS 二極管上時，會有一個微小的電流流過，這個電流就是反向漏電流 ID 。在一些對功耗要求極為嚴格的電路，或者高阻抗電路中，ID 是一個需要重點關注的參數(shù) 。因為過大的漏電流可能會導致電路功耗增加，甚至影響電路的正常工作 。

最大峰值脈沖功耗(PM)：PM 是 TVS 二極管能夠承受的最大峰值脈沖耗散功率 。在給定的最大箝位電壓下，功耗 PM 越大，TVS 二極管的浪涌電流承受能力越強;在給定的功耗 PM 下，箝位電壓 VC 越低，其浪涌電流承受能力也越大 。需要注意的是，TVS 二極管所能承受的瞬態(tài)脈沖通常是不重復的，器件規(guī)定的脈沖重復頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)一般為 0.01% 。如果電路中存在重復性脈沖，就需要考慮脈沖功率的 “累積” 效應，否則有可能導致 TVS 二極管因過熱而損壞 。

箝位時間(TC)：TC 是指從瞬態(tài)過電壓出現(xiàn)，到 TVS 二極管兩端電壓達到最小擊穿電壓 VBR 所需要的時間 。TVS 二極管的箝位時間極短，通?？蛇_到皮秒級，這使得它能夠在極短的時間內對瞬態(tài)過電壓做出響應，迅速保護電路 。

四、TVS 二極管的類型

單向 TVS 二極管：單向 TVS 二極管的正向特性與普通二極管相同，在正向導通時，其表現(xiàn)如同一個普通的整流二極管 。而其反向特性則為典型的 PN 結雪崩器件，反向擊穿拐點近似 “直角”，屬于硬擊穿 。當有瞬時過壓脈沖施加在其兩端且電壓超過擊穿電壓時，單向 TVS 二極管迅速導通，電流急劇增加，同時將反向電壓上升并箝位到預定的箝位電壓值，并保持在這一水平，直到過壓脈沖消失 。單向 TVS 二極管一般適用于直流電路，在直流電源線路、信號線路等需要保護的直流回路中應用廣泛 。

雙向 TVS 二極管：雙向 TVS 二極管的 V - I 特性曲線如同兩只單向 TVS 二極管 “背靠背” 組合而成 。這使得它在正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性 。雙向 TVS 二極管正反兩面擊穿電壓的對稱關系為：0.9 ≤ V (BR)(正)/V (BR)(反) ≤ 1.1 。當加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓 Vc 時，無論電壓是正向還是反向，雙向 TVS 二極管都會立刻將電壓抑制掉 。由于其獨特的雙向保護特性，雙向 TVS 二極管非常適合應用于交流電路，如交流電源輸入端口、交流信號傳輸線路等 。在這些交流回路中，瞬態(tài)過電壓可能來自正半周或負半周，雙向 TVS 二極管都能有效地進行保護 。

五、TVS 二極管的應用場景

消費電子設備：在手機、平板電腦、數(shù)碼相機等消費電子產品中，TVS 二極管被廣泛應用于各個接口和電路模塊的保護 。例如，手機的 USB 接口、耳機接口等，在日常使用中很容易受到靜電放電(ESD)的影響 。靜電放電產生的瞬間高壓可能會損壞接口電路中的芯片和其他敏感元件 。通過在這些接口處并聯(lián) TVS 二極管，當靜電放電發(fā)生時，TVS 二極管迅速導通，將靜電電荷引入地，從而保護了接口電路和與之相連的主板電路 。此外，在消費電子產品的電源輸入端口，也常常使用 TVS 二極管來抑制電源浪涌，確保設備在電源不穩(wěn)定或受到外部電源干擾時能夠正常工作 。

通信設備：在通信網絡設備中，如路由器、交換機、基站等，TVS 二極管起著至關重要的保護作用 。通信線路通常需要連接到室外的天線、電纜等設備，這些設備容易受到雷擊和感應雷的影響 。雷擊產生的瞬間過電壓可能高達數(shù)萬伏甚至更高，遠遠超過了通信設備內部電路所能承受的電壓范圍 。TVS 二極管被安裝在通信線路的入口處，能夠迅速將雷擊產生的高壓脈沖箝位到安全電壓范圍內，并將浪涌電流引入地，保護通信設備內部的電路和芯片不受損壞 。同時，在通信設備的電源模塊中，TVS 二極管也用于抑制電源線上的瞬態(tài)過電壓，保證設備供電的穩(wěn)定性 。

汽車電子系統(tǒng)：汽車內部的電子系統(tǒng)越來越復雜，各種電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器等設備相互連接 。在汽車行駛過程中，由于發(fā)動機點火、電器設備的開關操作等原因，會產生大量的電磁干擾和瞬態(tài)過電壓 。這些干擾和過電壓可能會影響汽車電子系統(tǒng)的正常工作，甚至導致系統(tǒng)故障 。TVS 二極管在汽車電子系統(tǒng)中被廣泛應用于各個電路的保護，如汽車的電池供電線路、傳感器信號線路、車載通信線路等 。例如，在汽車的車載娛樂系統(tǒng)中，TVS 二極管用于保護音頻放大器、顯示屏等設備免受電源浪涌和電磁干擾的影響;在汽車的發(fā)動機控制系統(tǒng)中，TVS 二極管保護 ECU 免受各種瞬態(tài)過電壓的沖擊，確保發(fā)動機的正常運行 。

工業(yè)控制設備：在工業(yè)生產環(huán)境中，存在著大量的電氣設備和復雜的電磁環(huán)境，工業(yè)控制設備面臨著各種瞬態(tài)過電壓和電磁干擾的威脅 。TVS 二極管被廣泛應用于工業(yè)控制設備的電源輸入、信號輸入輸出等接口，以及內部的電路板電路中 。例如，在自動化生產線中的可編程邏輯控制器(PLC)、變頻器、傳感器等設備，通過使用 TVS 二極管進行保護，能夠提高設備的可靠性和穩(wěn)定性，減少因瞬態(tài)過電壓和電磁干擾導致的設備故障和停機時間 。在工業(yè)現(xiàn)場的通信網絡中，如工業(yè)以太網、PROFIBUS 等，TVS 二極管也用于保護通信線路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性 。

六、TVS 二極管的選型要點

確定極性：根據(jù)應用電路是直流還是交流，以及瞬態(tài)過電壓可能出現(xiàn)的方向來選擇 TVS 二極管的極性 。如果電路為直流電路，且瞬態(tài)過電壓主要來自一個方向，通常選擇單向 TVS 二極管;如果電路為交流電路，或者瞬態(tài)過電壓可能來自兩個方向，則應選擇雙向 TVS 二極管 。

考慮擊穿電壓和最大反向關斷電壓：所選 TVS 二極管的擊穿電壓 VBR 應略高于電路的正常工作電壓，但不能過高，否則可能無法及時對瞬態(tài)過電壓做出響應 。同時，要確保電路的正常工作電壓始終低于 TVS 二極管的最大反向關斷電壓 VWM，以保證 TVS 二極管在正常狀態(tài)下不會導通，避免影響電路的正常工作 。

評估最大箝位電壓：最大箝位電壓 VC 必須低于被保護電路元件所能承受的最大電壓 。這樣，在瞬態(tài)過電壓出現(xiàn)時，TVS 二極管將電壓箝制在 VC 以下，從而保護了電路元件 。在實際選型中，需要根據(jù)被保護電路的具體要求，選擇箝位電壓合適的 TVS 二極管 。

確定最大峰值脈沖電流和最大峰值脈沖功耗：根據(jù)電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，計算出所需的最大峰值脈沖電流 IPP 。所選 TVS 二極管的最大峰值脈沖電流 IPP 應大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌電流 。同時，要確保 TVS 二極管的最大峰值脈沖功耗 PM 能夠滿足電路的要求，以保證其在承受瞬態(tài)過電壓時不會因過熱而損壞 。在計算 PM 時，需要考慮脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度等因素的影響 。

關注電容量：對于高頻電路或對信號傳輸質量要求較高的電路，要選擇電容量較小的 TVS 二極管 。因為過大的電容量會對信號產生衰減，影響信號的完整性和傳輸速度 。在數(shù)據(jù)接口電路等應用場景中，電容量是一個重要的選型參數(shù) 。

考慮應用場景和封裝形式：根據(jù)具體的應用場景和安裝空間要求，選擇合適封裝形式的 TVS 二極管 。常見的封裝形式有軸向引線封裝、貼片式封裝、雙列直插式封裝等 。對于高密度安裝的場合，貼片式封裝的 TVS 二極管可以節(jié)省電路板空間;對于需要承受較大功率的應用，可能需要選擇軸向引線封裝或大功率模塊封裝的 TVS 二極管 。

總之，TVS 二極管作為一種重要的電路保護器件，在電子設備的各個領域都發(fā)揮著不可或缺的作用 。了解 TVS 二極管的特性和正確選型方法，對于設計可靠、穩(wěn)定的電子電路至關重要 。無論是消費電子、通信設備，還是汽車電子、工業(yè)控制等領域，合理應用 TVS 二極管都能夠有效提高設備的抗干擾能力和可靠性，降低設備故障率，延長設備使用壽命 。隨著電子技術的不斷發(fā)展，TVS 二極管的性能也在不斷提升，未來它將在更多領域發(fā)揮更大的作用，為電子設備的安全運行保駕護航 。