TVS二极管：电子系统可靠的守护者

1、TVS二极管是什么？

TVS（瞬态电压抑制器）二极管，作为电子系统中的关键保护元件，专为半导体等敏感部件设计。其核心功能在于对电路中的电压尖峰进行快速响应，确保在损害发生前将电压控制在预设范围内。这种作用机制与空气管路或水管中的过滤器颇为相似。
TVS二极管广泛应用于IC（集成电路）中，有效抵御过电压、电弧、EFT（电快速瞬变）、ESD（静电放电）、感应负载开关以及雷击等潜在威胁。

2、TVS二极管的工作原理是什么？

TVS二极管在工作时，会与需要保护的电路并联，且方向相反。这种配置可以支持单向或双向的运行模式。在电压低于设定的阈值时，TVS二极管会保持不激活的状态，此时电路可以正常运作。然而，一旦电路中的电压超过设定阈值，TVS二极管会迅速启动，通过其内在的雪崩击穿效应，将过电压限制在预设的安全范围内，从而保护电路中的敏感部件免受损害。这种工作机制使得TVS二极管成为电子系统中不可或缺的过电压保护元件。
 

当电路中的电压超过TVS二极管所设定的预定阈值时，该二极管能够以纳秒级的速度感知到这一变化，并迅速启动“箝位”机制，将多余的能量从电路中有效地转移出去。此时，过大的瞬态电流会通过TVS二极管流回电源，从而确保受保护的系统维持稳定的电压水平。一旦浪涌过载的情况结束，TVS二极管将自动恢复到其非导通状态，随时准备应对电路中可能出现的下一次过电压冲击。换句话说，一旦电压超过TVS二极管的击穿电压（VBR），该二极管会立即激活，为受保护的元件提供额外的电流保障。

3、TVS二极管的优势何在？

与其他过压保护器件，诸如金属氧化物压敏电阻（MOV）、晶闸管以及气体放电管（GDT）相比，TVS二极管凭借其高效的箝位机制和出色的系统级兼容性，在应用中得到了广泛的采纳。
 

TVS二极管在电子系统中扮演着至关重要的角色，其能够在瞬态事件发生时迅速吸收并耗散能量，从而确保系统的稳定运行。以下是TVS二极管所具备的几大显著优势：

（1）增强可靠性：TVS二极管提供的有效过电压保护措施，能够显著降低电子系统遭遇意外故障的概率，进而增强其整体可靠性。

（2）提升安全性：该器件有助于降低电气火灾及其他潜在危险的发生几率，从而切实提高电子系统的使用安全。

（3）延长组件寿命：通过为敏感元件提供过压保护，TVS二极管减少了频繁更换的需求，进而延长了这些组件的寿命。

（4）确保行业合规性：高质量的TVS二极管能够保证产品严格遵循各行业的标准规范，特别是在汽车和航空航天等领域，这一点显得尤为重要。

（5）成本效益：通过预防系统故障并最大程度地减少停机时间，TVS二极管为用户带来了显著的维修和保养成本节省。

（6）降低干扰：该器件的高阻抗和噪声衰减特性，使其在小型电子产品中能够最大限度地降低常用开关电路的电磁干扰（EMI）。

（7）广泛适用性：TVS二极管可适用于多种应用场景，为各种电子设备和系统的保护提供解决方案。

4、TVS二极管的关键参数

在选择适合设计的TVS二极管时，深入理解影响器件保护电路免受过压和瞬态干扰能力的关键参数至关重要。
 

其中，TVS管的VBR（击穿电压）是核心参数，它标志着TVS管开始导通并进入雪崩击穿状态的电压点。一旦超过这个电压，TVS管会迅速击穿，从而保护电路免受过高的电压损害。此外，TVS管的VRWM（反向承受电压）也至关重要，它界定了TVS二极管能够正常工作的电压范围。在VRWM以下，TVS管处于截止状态，不进行任何动作。然而，若电压超过VRWM，TVS管将开始导通，保护电路免受损害。同时，TVS管的IR（反向漏电流）也是一个关键参数，特别是在低功耗或电池供电的设备中。它反映了在正常工作状态下，TVS二极管流过的电流水平。选择TVS管时，必须综合考虑这些参数，以确保其能够有效地保护电路并满足系统的功耗要求。

5、TVS二极管在汽车电子中的应用

在汽车电子系统中，保护敏感半导体元件免受电涌、瞬变和静电放电（ESD）的损害显得尤为重要。单个瞬态电压尖峰就可能对组件造成严重损坏，而能量较低的电噪声也可能导致数字通信中断。瞬态现象可能以瞬时浪涌或连续浪涌的形式出现，并通过PCB走线和电缆传播，其中瞬时浪涌电压可高达3kV，常发生在感性负载切换时，例如电机停止工作。由于现代集成电路（IC）通常在低直流电压下工作，因此瞬变成为威胁集成电路和数字信号的常见因素。

为了应对这些瞬态现象，常用的解决方案是采用瞬态电压抑制器（TVS）。随着汽车功能日益自动化，电动机在汽车中的应用也日益广泛，为镜子、车窗和座椅等提供动力。同时，传动系统的电气化趋势使得水泵和油泵等机械系统也逐渐由电动机驱动。这些变化增加了系统中的感性负载，从而在连接和断开负载时可能产生瞬态电压。

针对汽车环境的电涌保护，国际和地区标准如ISO 7637-2和ISO 16750等提出了具体要求。这些标准定义了12V电源上的测试脉冲形状，为汽车电子系统中的TVS二极管选型和应用提供了重要依据。
 

汽车行业所采用的测试脉冲图示

在汽车电子系统中，电路保护显得尤为关键，必须能够应对上述图示中所示的各种脉冲（请注意，脉冲并未按实际比例展示）。为满足这些严格需求，可能需要在系统各处分布多个TVS二极管。例如，交流发电机附近通常会配置一个大型主TVS，其选择将依据系统特性进行。同时，为分散剩余能量，每个模块内部还需配备补充TVS保护装置。此外，应采用系统级方法，以明确这方面的设计要求。
 

在严峻的环境下，脉冲曲线下的面积会显著增大，这意味着汽车应用中可能需处理更多的能量。特别是在大型车辆如卡车和货车上，24V供电轨道意味着保护措施必须能够应对更高的能量。
以TVS设备为例，它们被广泛应用于保护关键安全信号。随着现代汽车中数据通信的日益增多，如CAN、FlexRay和LIN等网络标准的应用越来越广泛。这些网络用于在汽车模块间进行安全关键信息的传输。

然而，这些信号可能会受到比瞬态浪涌能量更低的噪声干扰。因此，在不影响信号带宽的前提下，必须采取措施保护信号和模块。对于CAN和FlexRay这类差分总线，需要双向TVS来同时保护两条线路。

TVS设备有多种类型，其中最简单的单向TVS适用于要保护的电路面积始终为正的情况，例如0到5V的范围。它能够有效地防止正极和负极的瞬变。而双向TVS则设计用于提供跨分离轨系统或差分信号方案的全面瞬态保护。

在LIN总线中，通常会采用不对称的双向TVS。例如，由于信号线可能在地变化的影响下在-15V和+24V之间波动，因此需要这种类型的保护。此外，汽车中还可能配备高速数据总线，如USB和HDMI，这需要低电容TVS来确保数据的完整性。
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在探讨汽车电子中的保护措施时，我们不可避免地要关注到TVS设备的应用。从关键安全信号的保护，到数据通信网络的稳定传输，TVS设备都发挥着至关重要的作用。随着汽车电子技术的不断发展，我们期待看到更多创新的保护方案和更高效的TVS设备，为汽车的安全与性能提供坚实保障。
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在汽车电子领域，TVS设备的应用日益广泛，其重要性不言而喻。无论是保护关键安全信号，还是确保数据通信网络的稳定，TVS设备都扮演着不可或缺的角色。随着汽车电子技术的不断创新，我们期待TVS设备能够提供更加出色的保护方案，为汽车的安全与性能保驾护航。

公司名称：常州鼎先电子有限公司

英文名称：Changzhou D-first Electronics Co., Ltd

地址：常州市钟楼区西林街道华林路139-1号

电话：0519-88171671  13775299578

网址：http://www.first-electronic.com/

公司介绍：常州鼎先电子有限公司成立于2005年7月是一家专注于瞬态电压抑制器和静电防护器件设计、制造和销售的半导体技术公司。

　产品线涵盖瞬变抑制二极管集成阵列，低电容静电防护类器件等。广泛应用于智能穿戴设备，移动通信终端，汽车电子，医疗仪器，工业控制等领域。

经过二十年的积累，我司已具备集成电路设计，晶圆制造，封装测试等产业链垂直一体化经营能力，主营业务已掌握自主知识产权的核心技术。静电防护产品在漏电、电容和钳位电压等性能指标上达到行业同等水平。我们始终坚持品质为先，客户至上的原则，全心全意服务各行业客户。

主营业务及产品：
1：低电容集成阵列TVS  ARRAY
2：大功率变抑制二极管High power transient voltage suppressor 

AK家族专用于保护贵重和重要设备，如电信基础设备、工业瞬态电压浪涌抑制系统(TVSS)、铁路轨道信号控制室、国防和航空电子设备以及电网和输电系统等。与传统方案相比，它寿命更长、保护电压更低、体积更小。

AK系列大功率瞬态抑制二极管符合RoHS标准，且不含铅(Pb)，具有以下独特优势：

●最高20kA浪涌性能(8x20μs波形)

●完整的AK产品家族，包括：AK1、AK3、AK6、AK10和AK15，AK20系列

●能够支持较低的钳位电压

●击穿电压范围准(VBR的±5%范围内)

●快速响应(响应时间不到1微秒)

●低斜率电阻

●泄漏电流低(微安级)

●回扫技术可提供的低箝位特性

●在峰值脉冲电流的额定范围内工作时，不会出现磨损。