TVS瞬态抑制二极管电路的工作原理和特点！

TVS（Transient Voltage Suppressors），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，应用于直流电路时单向TVS反向并联于电路中，当电路正常 工作时，TVS处于截止状态（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TVS（雪崩） 击穿电压时，TVS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。

TVS 瞬态抑制二极管的伏安特性曲线及相关参数说明如图 2 所示，双向 TVS二极管系列产品的 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（IR）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。

2.1、TVS内部芯片为半导体硅材料，采用半导体工艺制成，具有较高的可靠性。
2.2、TVS具有较低的动态内阻，钳位电压低。
2.3、TVS较其他过压保护器件，具有较快的响应速度。
2.4、TVS电压精度高，击穿电压一般为±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。
2.5、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。
2.6、TVS在10/1000μs波形下瞬态功率可达200W~30000W，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3.3V~600V，甚至更高。

TVS 由于具有响应速度快，钳位电压低，电压精准等优点，因而应用于对保护器件要求较高的场合，如汽 车电子、工业控制、照明，通信等行业，如 DC 电源线，RS485 接口，通信电源，I/O 口等。图 4 至图 6 是 一些典型应用案例。

5.1 VRWM 截止电压，IR 漏电流 

表1 为TVS 规格参数，下面分别针对以下参数简单介绍：

VRWM-截止电压，TVS 的最高工作电压，可连续施加而不引起 TVS 劣化或损坏的最大的直流电压或交流峰 值电压。在 VRWM 下，TVS 呈现高阻态，认为是不工作的，即是不导通的。 
IR-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, IR应在规定值范围内。
VRWM 和 IR 测试回路如图 7 所示，对 TVS 两端施加电压值为 VRWM，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 SMBJ5.0A 的 TVS，当加在 TVS 两端的电压 为 5VDC 时，流过 TVS 的电流应小于 800μ A。对于同功率和同电压的 TVS，在 VRWM≤10V 时，双向 TVS 漏电 流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。

5.2 VBR 击穿电压
击穿电压，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。
对于低压 TVS，由于漏电流较大，所以测试电流选取的 IT 较大，如 SMBJ5.0A，测试电流 IT 选取 10mA。VBR测试电路如图 8 所示，使用脉冲恒流源对 TVS 施加 IT 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。测量时，VBR 落在 VBR MIN.和 VBRMAX.之间视为合格品。

5.3、 IPP 峰值脉冲电流 /VC 钳位电压

IPP，峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS一般选用10/1000μ s电流波形（图9）。
VC，钳位电压，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。

下图（图 10）为 TVS 峰值脉冲电流（IPP），钳位电压（VC）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。

6.1 最高工作电压 VRWM
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。

6.2 TVS 功率选型
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PPPM，则PPPM的功率可估算为：𝑃𝑃𝑃𝑀=𝑉𝐶×𝐼𝑃P

其中，VC为TVS的钳位电压，IPP为TVS在10/1000μ s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VC值是一样的，只是IPP不同。故PPPM与IPPM成正比，IPPM越 大，PPPM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Iactual可估算为：

其中U actual为测试电压，Ri为测试内阻。

TVS要通过测试，故实际电路中要求10/1000μ s波形下TVS的最小功率Pactual为：

其中为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如8/20μ s波形，建议取与TVS的材质有关，详细可咨询我司技术人员。

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≥Pactual；

6.3 VC 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，大多数 TVS 的 VC 与 VBR 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。

6.4 IR 漏电流
在一些低功耗电路或高精度采集电路中，IR 过大可能导致电路功耗过大或信号的采集精度超标。因低压（VRWM＜10V）TVS 的 IR 较大，如果后级电路耐受能力较强的话，尽量选择 10V 或以上的 TVS；如果后级电路耐受能力不足，需要选择小 IR 且低电压的 TVS，我司也可以提供这类产品。

6.5 结电容
TVS 的结电容一般在几十皮法至几十纳法。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，不能影响电路正常工作。

6.6 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 的芯片面积直接决定了TVS瞬态抑制二极管产品的功率等级。电路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。

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