TVS 工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè) PN 結(jié)或多個(gè) PN 結(jié)集成的器件。TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應(yīng)用于直流供電電路，雙向 TVS 應(yīng)用于電壓交變的電路。

如圖1 所示，應(yīng)用于直流電路時(shí)單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過(guò)電壓并達(dá)到 TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流到地，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當(dāng)異常過(guò)電壓消失后， TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

圖1 ：TVS工作原理

TVS 關(guān)鍵參數(shù)

工欲善其事，必先利其器，要用好 TVS ，必須先了解其關(guān)鍵的參數(shù)。

1.VRWM 截止電壓

TVS 的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對(duì)于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 VRWM 下，TVS 認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。換一句話，電路的最高工作電壓必須小于 VRWM ，否則將會(huì)導(dǎo)致 TVS 電路異常。

2. IR 漏電流

漏電流也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò) TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于某一型號(hào) TVS, IR 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對(duì) TVS 兩端施加電壓值為 VRWM ，從電流表中讀出的電流值即為 TVS 的漏電流 IR 。對(duì)于同功率和同電壓的 TVS ，在 VRWM ≤10V 時(shí)，雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對(duì)于一些模擬端口，漏電流會(huì)影響 AD的采樣值，所以 TVS 的漏電流越小越好。

3. VBR 擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流 IT 或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得 TVS 兩端的電壓。測(cè)試的電流 IT 一般選取10mA左右，施加的電流的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)400ms，以免損壞器件，VBRMin .和 VBRMax .是 TVS 擊穿電壓的一個(gè)偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測(cè)量時(shí)，VBR 落在 V BRMin .和 VBRMax .之間視為合格品。

4. IPP 峰值脈沖電流，VC 鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 IPP 時(shí)，TVS 兩端測(cè)得的峰值電壓。IPP 及 VC 是衡量 TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于 TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可以參考 VC 這個(gè)參數(shù)。對(duì)于相同型號(hào) TVS，在相同 IPP 下的 VC 越小，說(shuō)明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 IPP ，同型號(hào)的 TVS ，IPP 越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。

5. 結(jié)電容 CJ，漏電容 IR

結(jié)電容是 TVS 中的寄生電容，在高速 IO 端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注，過(guò)大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。漏電流主要帶來(lái)了功率的損耗，或者是在模擬信號(hào)中，會(huì)影響 AD 信號(hào)的采樣值。

圖2 廠家一般都是提供10/1000μs的測(cè)試波形

圖3 ：TVS的關(guān)鍵參數(shù)

TVS 選型過(guò)程

了解了 TVS 的基本參數(shù)，我們就開始進(jìn)入最重要的 TVS 選型的過(guò)程了。選擇TVS 之前，我們首先要明白選擇的終極目標(biāo)：

? 電壓合適能保護(hù)后級(jí)電路

? 引入的 TVS 的結(jié)電容不能影響電路

?  TVS 功率余量充足，滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先失效

選型的過(guò)程可以按照以下的步驟進(jìn)行：

? 選擇 TVS 最高工作電壓 VRWM

? 選擇 TVS 鉗位電壓 VC

? 選擇 TVS 的功率

? 評(píng)估漏電流 IR 的影響

? 評(píng)估結(jié)電容的影響

選擇TVS最高工作電壓 VRWM；

在電路正常工作情況下，TVS 應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)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(huì)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，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過(guò)高，如果太高，鉗位電壓也會(huì)較高，所以在選擇 VRWM 時(shí)，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)電路的承受能力。要求 VRWM 要大于工作電壓，否則工作電壓大于 VRWM 會(huì)導(dǎo)致 TVS 反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。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。

選擇選擇 TVS 鉗位電壓 VC

TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 IPP 都成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的 TVS，其擊穿電壓越高 VC 也越高，所選 TVS 的最大箝位電壓 Vc 不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng) TVS 鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)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.

選擇 TVS 的功率PPPM（或者Ipp）

TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS 的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS 的封裝越大，價(jià)錢也越高，所以，TVS 的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 VC 值是一樣的，只是 IPP 不同。故 PPPM 與 IPPM 成正比，Ippm 越大，PPPM 也越大。

對(duì)于某一電路 ，有對(duì)應(yīng)的測(cè)試要求，設(shè)實(shí)際電路中的最大測(cè)試電流為 IActual ，則 IActual 可估算為：IActual = UActual /Ri；---------其中 UActual 為測(cè)試電壓，Ri為測(cè)試內(nèi)阻。

TVS 要通過(guò)測(cè)試，故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P Actual 為：-------其中 di/dt 為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實(shí)際測(cè)試波形為其他波形，如 8/20μs 波形，建議 di/dt 取，如實(shí)際測(cè)試波形為 8/20μs 波形，建議 di/dt 取1/(3~5)，與 TVS 材質(zhì)有關(guān)。實(shí)際選型中，TVS 應(yīng)留有一定的裕量，TVS 的功率 PPAM 選擇應(yīng)遵 PPPM＞PActual。

根據(jù)所選的 TVS 的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響，如果 TVS 用在高速IO端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。

TVS選型舉例

數(shù)據(jù)都是無(wú)趣的，我們以實(shí)際的案例舉例。

電路的正常工作電壓 VCC 是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級(jí)電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試波形為 8/20μs波形，測(cè)試電壓500V，測(cè)試電源內(nèi)阻及 PPTC的靜態(tài)電阻合計(jì)為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的 TVS。

圖4 ：設(shè)計(jì)舉例

1）選擇 TVS 最高工作電壓

VRMW≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2）選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

3）計(jì)算實(shí)際測(cè)試波形功率：

PActual=50*（500/3）*1/2 = 4166W

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選用5.0SMDJ26A這個(gè) TVS，由于這個(gè) TVS 用在電源端口，結(jié)電容和漏電流基本可以忽略不計(jì)。

圖5 ：5.0SM DJ26A TVS關(guān)鍵參數(shù)