深入解析TVS工作原理和选型

一、TVS工作原理

TVS，即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件。TVS有单向与双向之分，单向TVS一般应用于直流供电电路，双向TVS应用于电压交变的电路。如图1所示单向TVS反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS处于截止状态。当电路出现异常过电压并达到TVS击穿电压时，TVS迅速由高阻状态突变为低阻状态，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较低的水平，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。

图1  TVS工作原理

二、关键参数

图2  TVS的关键参数

(1)  Vrwm截止电压

TVS的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS损坏的最高工作峰值电压。此电压越高漏电流越大，因此截止电压通常是定义在μA级电流下，并联于电路当中不会对信号产生衰减，长时间工作也不会因为漏电流过大导致过热而失效。对于交流电压，用最高工作电压有效值表示。电路的最高工作电压必须小于Vrwm，否则将会导致TVS动作导致电路异常。

(2)  IR漏电流

漏电流，为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。TVS两端施加电压值为VRWM，此时的电流值即为TVS的漏电流IR，TVS的漏电流越小越好。

(3)  VBR击穿电压

击穿电压是TVS二极管反向截止与雪崩击穿的分界线，指在V-I特性曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。测试的电流IT一般选取1mA或者10mA左右，施加的电流的时间不应超过400ms，以免损坏器件。

(4)  IPP峰值脉冲电流 ，VC钳位电压

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。钳位电压Vc，施加规定波形的峰值脉冲电流IPP时，TVS 两端测得的峰值电压。IPP及VC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VC这个参数。对于相同型号TVS，在相同IPP下的VC越小，说明TVS的钳位特性越好。TVS的耐脉冲电流冲击能力可以参考IPP，同型号的TVS，IPP越大，耐脉冲电流冲击能力越强。

(5) 结电容CI

结电容是TVS中的寄生电容，在高速IO口保护需重点关注，过大的结电容可能会影响信号的质量，也就是频率越高，对结电容的数值越敏感。

结电容固然对于信号有所影响，但是好的设计会适当选择，而不是一味追求低容值。

(6) 峰值脉冲功率Pppm

TVS二极管通常是10/1000us波形下达到的瞬态峰值功率，是最大脉冲电流峰值与最大钳位电压的乘积，鉴于实际应用会碰到各种不同脉冲宽度的浪涌冲击，规格书同步给出了峰值脉冲功率与脉冲宽度曲线作为设计参考，从曲线可以看出，随着脉冲时间缩短，瞬时功率得到提升，一只典型的TVS在脉冲8/20us下的脉冲功率是10/1000us波形下的5~10倍。

图3  TVS峰值功率与脉宽和温度的关系

TVS二极管雪崩效应具有正温度系数特性，即温度越高其漏电流与钳位电压越高，同时因为结点温度的限制，使得TVS二极管脉冲峰值功率在高温下需要考虑降额。

三、TVS选型

选择TVS之前，我们首先要明白选择的终极目标：

1.电压合适能保护后级电路；

2.引入的TVS的结电容不能影响电路；

3.TVS功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先坏掉。

选型的过程可以按照以下的步骤进行：

(1) 选择TVS最高工作电压Vrmw；

(2) 选择TVS钳位电压VC；

(3) 选择TVS的功率；

(4) 评估漏电流IR的影响；

(5) 评估结电容的影响；

A、选择TVS最高工作电压Vrmw；

在电路正常工作时，TVS应该是不工作的，处于截止状态，所以TVS的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。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，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择Vrwm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。综合考虑，Vrwm可以参考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ；------其中VCC为电路的最高工作电压。

B、选择选择TVS钳位电压VC；

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，VC与TVS的雪崩击穿电压及IPP都成正比。对于同一功率等级的TVS，其击穿电压越高VC也越高，所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式：

VC＜Vmax；-----其中Vmax为电路能承受的最高电压.

C、选择TVS的功率Pppm(或者Ipp)；

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，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高。所以，TVS的功率满足要求即可。Pppm与Ippm成正比，Ippm越大，Pppm也越大。对于实际电路，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为Ia，则Ia可估算为：

Ia=Ua/Ri；---------其中 Ua为测试电压，Ri为测试内阻。

TVS要通过测试，实际电路中要求10/1000μs波形下TVS的最小功率为Pa，实际选型中，TVS应留有一定的裕量，TVS的功率Pppm选择应遵循Pppm＞Pa。

D、根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响

如果TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

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