一、TVS工作原理 TVS，即瞬態電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極體。它是採用半導體工藝製成的單個PN結或多個PN結集成的器件。TVS有單向與雙向之分，單向TVS一般應用於直流供電電路，雙向TVS應用於電壓交變的電路。如圖1所示單向TVS反向並聯於電路中，當電路正常工作時，TVS處於截止狀態。當電路出現異常過電壓並達到TVS擊穿電壓時，TVS迅速由高阻狀態突變為低阻狀態，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，從而保護後級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失後，TVS阻值又恢復為高阻態。
圖1 TVS工作原理 二、關鍵參數
圖2 TVS的關鍵參數 (1) Vrwm截止電壓 TVS的最高工作電壓，可連續施加而不引起TVS損壞的最高工作峰值電壓。此電壓越高漏電流越大，因此截止電壓通常是定義在μA級電流下，並聯於電路當中不會對信號產生衰減，長時間工作也不會因為漏電流過大導致過熱而失效。對於交流電壓，用最高工作電壓有效值表示。電路的最高工作電壓必須小於Vrwm，否則將會導致TVS動作導致電路異常。 (2) IR漏電流 漏電流，為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。TVS兩端施加電壓值為VRWM，此時的電流值即為TVS的漏電流IR，TVS的漏電流越小越好。 (3) VBR擊穿電壓 擊穿電壓是TVS二極體反向截止與雪崩擊穿的分界線，指在V-I特性曲線上，在規定的脈衝直流電流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1mA或者10mA左右，施加的電流的時間不應超過400ms，以免損壞器件。 (4) IPP峰值脈衝電流 ，VC鉗位電壓 峰值脈衝電流，給定脈衝電流波形的峰值。TVS一般選用10/1000μs 電流波形。鉗位電壓Vc，施加規定波形的峰值脈衝電流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衝電流及限制電壓能力的參數，這兩個參數是相互聯繫的。對於TVS在防雷保護電路中的鉗位特性，可以參考VC這個參數。對於相同型號TVS，在相同IPP下的VC越小，說明TVS的鉗位特性越好。TVS的耐脈衝電流衝擊能力可以參考IPP，同型號的TVS，IPP越大，耐脈衝電流衝擊能力越強。 (5) 結電容CI 結電容是TVS中的寄生電容，在高速IO口保護需重點關注，過大的結電容可能會影響信號的質量，也就是頻率越高，對結電容的數值越敏感。 結電容固然對於信號有所影響，但是好的設計會適當選擇，而不是一味追求低容值。 (6) 峰值脈衝功率Pppm TVS二極體通常是10/1000us波形下達到的瞬態峰值功率，是最大脈衝電流峰值與最大鉗位電壓的乘積，鑒於實際應用會碰到各種不同脈衝寬度的浪涌衝擊，規格書同步給出了峰值脈衝功率與脈衝寬度曲線作為設計參考，從曲線可以看出，隨著脈衝時間縮短，瞬時功率得到提升，一隻典型的TVS在脈衝8/20us下的脈衝功率是10/1000us波形下的5~10倍。
圖3 TVS峰值功率與脈寬和溫度的關係 TVS二極體雪崩效應具有正溫度係數特性，即溫度越高其漏電流與鉗位電壓越高，同時因為結點溫度的限制，使得TVS二極體脈衝峰值功率在高溫下需要考慮降額。 三、TVS選型 選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標： 1.電壓合適能保護後級電路； 2.引入的TVS的結電容不能影響電路； 3.TVS功率餘量充足，滿足測試標準，且不能比保險管先壞掉。 選型的過程可以按照以下的步驟進行： (1) 選擇TVS最高工作電壓Vrmw； (2) 選擇TVS鉗位電壓VC； (3) 選擇TVS的功率； (4) 評估漏電流IR的影響； (5) 評估結電容的影響； A、選擇TVS最高工作電壓Vrmw； 在電路正常工作時，TVS應該是不工作的，處於截止狀態，所以TVS的截止電壓應大於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，在截止電壓大於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後級電路的承受能力。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。 B、選擇選擇TVS鉗位電壓VC； TVS鉗位電壓應小於後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。對於同一功率等級的TVS，其擊穿電壓越高VC也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大於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. C、選擇TVS的功率Pppm(或者Ipp)； TVS產品的額定瞬態功率應大於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，能夠承受更多的衝擊能量和次數，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。Pppm與Ippm成正比，Ippm越大，Pppm也越大。對於實際電路，有對應的測試要求，設實際電路中的最大測試電流為Ia，則Ia可估算為： Ia=Ua/Ri；---------其中 Ua為測試電壓，Ri為測試內阻。 TVS要通過測試，實際電路中要求10/1000μs波形下TVS的最小功率為Pa，實際選型中，TVS應留有一定的裕量，TVS的功率Pppm選擇應遵循Pppm＞Pa。 D、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埠防護、模擬信號採樣、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。 |
