伯恩半导体 - TVS 选型指南

TVS 工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressor），即瞬态抑制二极管，又称雪崩击穿二极管。有单向与双向之分，单向 TVS 应用在直流电路，双向 TVS 应用于交流电路。如图所示 TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到其（雪崩）击穿电压时，迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在后级电路可承受的安全水平之内， 从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。

TVS 的伏安特性曲线及相关参数说明如图 2 所示，双向 TVS 伏安特性曲线第一象限与第三象限极性相反，特性相似，如图 3。当 TVS 反向偏置时，TVS 有两种工作模式：待机（高阻抗）或钳制（相对的低阻抗），如图 2 第三象限。在待机状态下，流过 TVS 的电流称为待机电流（I_R）或漏电流，该电流的大小随 TVS 的结温而变化。在 TVS 的伏安特性曲线中，由高阻抗（待机）向低阻抗（钳位）转变是雪崩击穿的开始，当 TVS 完全雪崩击穿时，TVS 会瞬间把高电压转化为流过其体内的大电流并保持 PN 结两端相对较低的钳位电压。

TVS 特点

• TVS 内部为半导体硅材料，采用半导体工艺制成，具有较高的可靠性。
• TVS 具有较低的动态内阻，钳位电压低。
• TVS 较其他过压保护器件，具有较快的响应速度。
• TVS 电压精度高，一般为 ±5% 的偏差，在特殊应用场合，还可以通过工艺改善或参数筛选达到更高的精度。
• TVS 封装多样化，贴片封装有 SOD-123、SMA (DO-214AC)、SMB (DO-214AA)、SMC (DO-214AB)、 DO-218AB 等，插件封装有 DO-41、DO-15、DO-201、P-600 等。
• TVS 在 10/1000μs 波形下瞬态功率可达 200W~30KW，甚至更高。在 8/20μs 波形下瞬态峰值脉冲电流可达 3KA、6KA、10KA、16KA、20KA 甚至更高。
• 工作电压范围可从 5V-600V，甚至更高。

TVS 参数说明

V_RWM，截止电压，TVS 的最高工作电压，可连续施加而不引起 TVS 劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，用最高工作电压有效值表示。在 V_RWM 下，TVS 认为是不工作的，即是不导通的。

I_R，漏电流，也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过 TVS 的最大电流。TVS 的漏电流一般是在截止电压下测量，对于某一型号 TVS, I_R 应在规定值范围内。

V_RWM 和 I_R 测试回路如图 4 所示，对 TVS 两端施加电压值为 V_RWM，从电流表中读出的电流值即为 TVS 的漏电流IR，其中虚线框表示单向 TVS 测试回路。如对于我司型号为 SMAJ5.0A 的 TVS，当加在 TVS 两端的电压为直流 5V 时，流过 TVS 的电流应小于 800μA。对于同功率和同电压的 TVS，在 V_RWM ≤ 10V 时，双向 TVS 的漏电流是单向 TVS 的漏电流的 2 倍。

V_BR 击穿电压，指在伏安特性曲线上，在规定的脉冲直流电流 I 或接近发生雪崩的电流条件下测 TVS 两端的电压。

对于低压 TVS，由于漏电流较大，所以测试电流选取的 I_T 较大，如 SMAJ5.0A，测试电流 IT 选取 10mA。 V_BR 测试电路如图 5 所示，使用脉冲恒流源对 TVS 施加 I_T 大小的电流时，读出 TVS 两端的电压则为击穿电压。电流施 加时间应不超过 400ms，以免造成 TVS 受热损坏。V_{BR MIN.}和 V_{BR MAX.} 是 TVS 击穿电压的一个偏差，一般 TVS 为 ±5% 的偏差。测量时，V_BR 落在 V_{BR MIN.} 和 V_{BR MAX.} 之间视为合格品。

I_PP，峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS 一般选用 10/1000μs 电流波形（图 6）。

V_C，钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流 I_PP 时，TVS 两端测得的峰值电压。I_PP 及 V_C 是衡量 TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，这两个参数是相互联系的。对于 TVS 在防雷保护电路中的钳位特性，可以参考 V_C 这个参数，对于同一型号 TVS，在相同 I_PP 下的 V_C 越小，说明 TVS 的钳位特性越好。同型号 TVS 的 I_PP 越大，耐脉冲电流冲击能力越强。

图 7 为 TVS 峰值脉冲电流（I_PP），钳位电压（V_C）测量试验回路示意图，测量时应考虑到 TVS 的散热问题， 两次测试时间间隔不能太短，以免对 TVS 造成损坏。

以上对于 TVS 的测量，图中所示电路为电路的基本原理，目前市面上有多种 TVS 电性检测仪器，如晶体管图示仪，TVS 检测仪等，浪涌发生器、TVS 逆向功率测试仪等。

TVS 选型注意事项

最高工作电压 V_RWM

在电路正常工作情况下，TVS 应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于线路上最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低，在截止电压大于电路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压不能选取得过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择 V_RWM 时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。

TVS 功率选型

TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，具体可参照如下计算方法。

TVS 的额定功率记为 P_PPM， 则 P_PPM 的功率可估算为：𝑃_𝑃𝑃𝑀 = 𝑉_𝐶 × 𝐼_𝑃𝑃

其中，V_C 为 TVS 的钳位电压，I_PP 为 TVS 在 10/1000μs 波形的峰值脉冲电流。

对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 V_C 值是一样的，只是 I_PP 不同。故 P_PPM 与 I_PPM 成正比，I_PPM 越大，P_PPM 也越大。

对于某一电路，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为 I_actual，则 I_actual 可估算为：

𝐼_{𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙} = 𝑈_{𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙} / 𝑅_i

其中 U_actual 为测试电压，R_i 为测试内阻。TVS 要通过测试，故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P_actual 为：

其中 Δ(dt/di) 为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如 8/20μs（见附录）波形，建议 Δ(dt/di) 取 1/(3~5)，如测试波形为 10/700μs（见附录），建议 Δ(dt/di) 取 1/(1.5~2)，Δ(dt/di) 与 TVS 的材质有关。

实际选型中，TVS 应留有一定的裕量，TVS 的功率 P_PPM 选择应遵循 P_PPM ≥ P_actual。

V_C 钳位电压

TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，V_C 与 TVS 的雪崩击穿电压及 I_PP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高 V_C 也越高。

I_R 漏电流

功耗电路，要特别关注 I_R，I_R 不能影响系统的效率及正常工作。一般电压 TVS 的漏电流会比较大，如果在电压允许的情况下，尽量选择 10V 以上的 TVS，漏电流会比较小。如果一定要选择低压低漏流的 TVS，我司也可提供低漏流的 TVS 产品。

结电容

TVS 的结电容一般在几十皮法到几十纳法。对于同一功率等级的 TVS，其电压越低，电容值越大。在一些通信线路中，要注意 TVS 的结电容，不能影响线路正常工作。

封装形式

TVS 的功率从封装形式上也可以体现，封装体积越小，其功率一般也越小，因为 TVS 内部半导体面积直接决定了 TVS 的功率等级。硬件工程师可根据电路设计及测试要求选择合适封装的 TVS 器件。

参考

伯恩半导体 - TVS 选型指南