瞬变抑制二极管TVS原理简介

一、TVS管的特性
瞬变电压抑制二极管（Transient VoltageSuppression Diode，TVS）是一种特殊的二极管雪崩器件。其工作原理和齐纳二极管类同，特性和符号和齐纳二极管相同，所不同的是TVS具有更大面积的PN结，另外它的反向特性为典型的雪崩型，在雪崩时具有低动态阻抗和低箝位电压，当TVS的两极收到反向瞬态浪涌电压冲击时，它能以ps量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，迅速吸收高达数千瓦数量级的浪涌功率，使两级间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路元器件免受各种形式的浪涌脉冲的损害。
二、TVS管的工作原理
TVS有单向和双向之分，电力线Modem芯片上一般采用双向TVS。双向TVS的V－I特性如下图所示

在瞬态峰值浪涌电流作用下，流过TVS的电流急剧地由原来的反向漏电流IR上升到VBR，其反向电压IR上升至击穿电压值VBR，TVS被击穿，最小击穿电压BR是TVS变成低阻抗的起始电压，也就是TVS进入雪崩的击穿电压。随着峰值脉冲电压的出现和增长，流过TVS的电流达到最大反向峰值脉冲电流IP，其反向电压上升至箝位电压值VC，并保持在这一稳定水平上。其后随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态。这就是TVS抑制浪涌，保护设备的全过程。

TVS的电压（电流）-时间特性如下图

在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。
三、TVS的主要参数
VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。
VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。
最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。
电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。
PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。
TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10^-12s；对双极性TVS小于10×10 ^-12s。
四、TVS管的选用
TVS具有体积小，响应速度快（小于1 ns），瞬态功率大，漏电流低，击穿电压小，每次经受瞬变电压和浪涌后其性能不会下降和可靠性高等特点。另外，TVS最大优点是箝位系数小，箝位系数越小，防护瞬变电压效果越好。TVS的缺点是耐电流量小，电容量大。目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。
确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和最大可承受电压。
TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。 TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。温度考虑瞬态电压抑制器可以在－55℃~＋150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。
五、TVS管在使用中应注意的事项
对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值)，而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。 对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。 特别要注意TVS管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。 当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。