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。它是采用半導體工藝制成的單個 PN 結或多個 PN 結集成的器件。TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應用于直流供電電路，雙向 TVS 應用于電壓交變的電路。

如圖1 所示，應用于直流電路時單向 TVS 反向并聯于電路中，當電路正常工作時，TVS 處于截止狀態（高阻態），不影響電路正常工作。當電路出現異常過電壓并達到 TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS 迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流到地，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失后， TVS 阻值又恢復為高阻態。

圖1 ：TVS工作原理

TVS 關鍵參數

工欲善其事，必先利其器，要用好 TVS ，必須先了解其關鍵的參數。

1.VRWM 截止電壓

TVS 的最高工作電壓，可連續施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 VRWM 下，TVS 認為是不工作的，即是不導通的。換一句話，電路的最高工作電壓必須小于 VRWM ，否則將會導致 TVS 電路異常。

2. IR 漏電流

漏電流也稱待機電流。在規定溫度和最高工作電壓條件下，流過 TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于某一型號 TVS, IR 應在規定值范圍內。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 。對于同功率和同電壓的 TVS ，在 VRWM ≤10V 時，雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對于一些模擬端口，漏電流會影響 AD的采樣值，所以 TVS 的漏電流越小越好。

3. VBR 擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線上，在規定的脈沖直流電流 IT 或接近發生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。測試的電流 IT 一般選取10mA左右，施加的電流的時間不應超過400ms，以免損壞器件，VBRMin .和 VBRMax .是 TVS 擊穿電壓的一個偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測量時，VBR 落在 V BRMin .和 VBRMax .之間視為合格品。

4. IPP 峰值脈沖電流，VC 鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓，施加規定波形的峰值脈沖電流 IPP 時，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涌脈沖電流及限制電壓能力的參數，這兩個參數是相互聯系的。對于 TVS 在防雷保護電路中的鉗位特性，可以參考 VC 這個參數。對于相同型號 TVS，在相同 IPP 下的 VC 越小，說明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 IPP ，同型號的 TVS ，IPP 越大，耐脈沖電流沖擊能力越強。

5. 結電容 CJ，漏電容 IR

結電容是 TVS 中的寄生電容，在高速 IO 端口保護需要重點關注，過大的結電容可能會影響信號的質量。漏電流主要帶來了功率的損耗，或者是在模擬信號中，會影響 AD 信號的采樣值。

圖2 廠家一般都是提供10/1000μs的測試波形

圖3 ：TVS的關鍵參數

TVS 選型過程

了解了 TVS 的基本參數，我們就開始進入最重要的 TVS 選型的過程了。選擇TVS 之前，我們首先要明白選擇的終極目標：

? 電壓合適能保護后級電路

? 引入的 TVS 的結電容不能影響電路

?  TVS 功率余量充足，滿足測試標準，且不能比保險管先失效

選型的過程可以按照以下的步驟進行：

? 選擇 TVS 最高工作電壓 VRWM

? 選擇 TVS 鉗位電壓 VC

? 選擇 TVS 的功率

? 評估漏電流 IR 的影響

? 評估結電容的影響

選擇TVS最高工作電壓 VRWM；

在電路正常工作情況下，TVS 應該是不工作的，即處于截止狀態，所以 TVS 的截止電壓應大于被保護電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過高，如果太高，鉗位電壓也會較高，所以在選擇 VRWM 時，要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求 VRWM 要大于工作電壓，否則工作電壓大于 VRWM 會導致 TVS 反向漏電流增大，接近導通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，VRWM 可以參考以下的公式：

VRWM ≈1.1~1.2*VCC ；--------其中VCC為電路的最高工作電壓。

選擇選擇 TVS 鉗位電壓 VC

TVS 鉗位電壓應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓，VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 IPP 都成正比。對于同一功率等級的 TVS，其擊穿電壓越高 VC 也越高，所選 TVS 的最大箝位電壓 Vc 不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則，當 TVS 鉗在Vc時會對電路造成損壞。Vc 可以參考以下的公式：

VC ＜ Vmax ；-----其中 Vmax 為電路能承受的最高電壓.

選擇 TVS 的功率PPPM（或者Ipp）

TVS 產品的額定瞬態功率應大于電路中可能出現的最大瞬態浪涌功率，理論上，TVS 的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數，但是功率越高，TVS 的封裝越大，價錢也越高，所以，TVS 的功率滿足要求即可。對于不同功率等級的 TVS，相同電壓規格的 TVS 其 VC 值是一樣的，只是 IPP 不同。故 PPPM 與 IPPM 成正比，Ippm 越大，PPPM 也越大。

對于某一電路 ，有對應的測試要求，設實際電路中的最大測試電流為 IActual ，則 IActual 可估算為：IActual = UActual /Ri；---------其中 UActual 為測試電壓，Ri為測試內阻。

TVS 要通過測試，故實際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P Actual 為：-------其中 di/dt 為波形轉換系數，如實際測試波形為其他波形，如 8/20μs 波形，建議 di/dt 取，如實際測試波形為 8/20μs 波形，建議 di/dt 取1/(3~5)，與 TVS 材質有關。實際選型中，TVS 應留有一定的裕量，TVS 的功率 PPAM 選擇應遵 PPPM＞PActual。

根據所選的 TVS 的結電容和漏電流評估影響，如果 TVS 用在高速IO端口防護、模擬信號采樣、低功耗設備場合，就需要考慮結電容和漏電流的影響，兩則的參數越小越好。

TVS選型舉例

數據都是無趣的，我們以實際的案例舉例。

電路的正常工作電壓 VCC 是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級電路可承受的最高瞬態電壓為50V，實驗的測試波形為 8/20μs波形，測試電壓500V，測試電源內阻及 PPTC的靜態電阻合計為2Ω。根據上述信息選擇合適的 TVS。

圖4 ：設計舉例

1）選擇 TVS 最高工作電壓

VRMW≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2）選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

3）計算實際測試波形功率：

PActual=50*（500/3）*1/2 = 4166W

根據計算結果，可以選用5.0SMDJ26A這個 TVS，由于這個 TVS 用在電源端口，結電容和漏電流基本可以忽略不計。

圖5 ：5.0SM DJ26A TVS關鍵參數