一、TVS簡介：

電壓及電流的瞬態(tài)干擾，是造成電子電路及設(shè)備損壞的主要原因，經(jīng)常給人們帶來無法估量的損失。這些干擾通常來自于電力設(shè)備的啟停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定、雷電干擾及靜電放電等，瞬態(tài)干擾幾乎無處不在、讓人防不勝防。

以靜電放電為例，它通常能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并持續(xù)10ms。而一般的TTL半導(dǎo)體器件，在遇到超過30ms的10V脈沖時，便可能會導(dǎo)致?lián)p壞。

在集成電路上精細(xì)的導(dǎo)電路徑，通常無法承受所涉及的靜電放電，造成芯片的直接損害和潛在傷害，而且隨著器件越來越小型化，這些電子設(shè)備對靜電放電會越來越敏感。

這時候就需要用專用的TVS、MOV吸能保護(hù)器件，將這些具有破壞性的能量限制在一定水平，從而保護(hù)整機(jī)產(chǎn)品。

TVS（瞬變電壓抑制二極管）是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種保護(hù)器件，主要用于對電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)，當(dāng)TVS兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時，它可以在10的-12次方秒量級的時間里，把器件兩端間的阻抗變成低阻抗，吸收峰值高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，并將其迅速泄放到地層，從而將器件兩端間的電壓箝制在一個預(yù)定的數(shù)值上，能有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。

圖2：TVS鉗位保護(hù)原理

TVS的結(jié)電容通常在0.12pF至100pF之間，因此不會影響大部分電路的正常工作。還有一種專門用于脈沖寬度大于ESD浪涌保護(hù)的齊納二極管，稱為浪涌保護(hù)齊納二極管。這些齊納二極管適用于雷電感應(yīng)和開關(guān)浪涌引起的、脈沖寬度大于幾微秒的過壓脈沖電路保護(hù)。這類二極管的總電容為100pF至600pF，適用于雷電感應(yīng)和開關(guān)浪涌的保護(hù)。

二、TVS的工作特性

TVS具備非線性伏-安特征，其特征與穩(wěn)壓二極管類似，擊穿前表現(xiàn)為漏電流小，擊穿后表現(xiàn)為穩(wěn)壓，響應(yīng)速度較快且吸收浪涌強(qiáng)。如果單就這個曲線來看，TVS管和普通穩(wěn)壓管的擊穿特性沒有什么區(qū)別，為典型的PN結(jié)雪崩器件。

圖3：TVS的電壓-電流特性曲線

TVS的主要參數(shù)包括如下：

（1）擊穿電壓（Vbr）： TVS在此時阻抗驟然降低，處于雪崩擊穿狀態(tài)。

（2）測試電流（It）： TVS的擊穿電壓VBR在此電流下測量而得。一般情況下It取１mA。

（3）反向工作電壓（Vrwm）： 器件反向工作時，在規(guī)定的Ir下，器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓Vrwm。通常Vrwm=（0.8~0.9）V(br)。在這個電壓下，器件的功率消耗很小。使用時，應(yīng)使Vrwm不低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓。

（4）最大反向漏電流（Ir）： 在工作電壓下測得的流過TVS的最大電流。

（5）最大峰值脈沖電流（Ipp）： TVS允許流過的最大浪涌電流，它反映了TVS的浪涌抑制能力。

（6）最大箝位電壓（Vv）： 當(dāng)TVS管承受瞬態(tài)高能量沖擊時，管子中流過大電流，峰值為Ipp，端電壓由Vrwm值上升到Vc值就不再上升了，從而實現(xiàn)了保護(hù)作用。浪涌過后，隨時間IPP以指數(shù)形式衰減，當(dāng)衰減到一定值后，TVS兩端電壓由Vc開始下降,恢復(fù)原來狀態(tài)。最大箝位電壓Vc與擊穿電壓Vbr之比稱箝位因子Cf，表示為Cf= Vc /Vbr，一般箝位因子僅為1.2～1.4。

（7）峰值脈沖功率(Pp)： PP按峰值脈沖功率的不同TVS分為四種，有500Ｗ、600Ｗ、1500Ｗ和5000Ｗ。最大峰值脈沖功率：最大峰值脈沖功率為：PN=VC·IPP。顯然，最大峰值脈沖功率愈大,TVS所能承受的峰值脈沖電流IPP愈大；另一方面，額定峰值脈沖功率PP確定以后，所TVS能承受的峰值脈沖電流IPP，隨著最大箝位電壓VC的降低而增加。TVS最大允許脈沖功率除了和峰值脈沖電流和箝位電壓有關(guān)外，還和脈沖波形、脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。

TVS所能承受的瞬時脈沖峰值可達(dá)數(shù)百安培，其箝位響應(yīng)時間僅為10秒；TVS所允許的正向浪涌電流,在 25℃,1/120秒的條件下,也可達(dá)50-200安培。一般地說,TVS所能承受的瞬時脈沖是不重復(fù)的脈沖。

但是在實際應(yīng)用中，電路里可能出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，TVS器件規(guī)定,脈沖重復(fù)率比(脈沖持續(xù)時間和間歇時間之比)為0.01%，如不符合這一條件，脈沖功率的積累有可能使TVS燒毀，因此電路設(shè)計人員需要注意這一點(diǎn)。

TVS的工作可靠性高，即使長期承受不重復(fù)性大脈沖的高能量的沖擊，也不會出現(xiàn)"老化"問題。試驗證明，TVS安全工作于10000次脈沖后,其最大允許脈沖功率仍為原值的80％以上。

圖4：TVS保護(hù)器件應(yīng)用場景

TVS的應(yīng)用十分廣泛，如:家用電器；電子儀器；儀表；精密設(shè)備；計算機(jī)系統(tǒng)；通訊設(shè)備;RS232、485及 CAN等通訊端口；ISDN的保護(hù)；I/O端口；IC電路保護(hù)；音、視頻輸入；交、直流電源；電機(jī)、繼電器噪聲的抑制等各個領(lǐng)域。它可以有效地對雷電、負(fù)載開關(guān)等人為操作錯誤引起的過電壓沖擊起保護(hù)作用，下面是幾個TVS在電路應(yīng)用中的典型例子。

三、TVS管應(yīng)用選型和典型電路：

在進(jìn)行TVS物料選型之前，首先需要確定被保護(hù)電路中的連續(xù)工作電壓、額定標(biāo)準(zhǔn)電壓、最大工作電壓、損壞電壓、峰值脈沖功率等參數(shù)，然后再進(jìn)行針對性選型：

（1）待保護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓： 如果是交流電，應(yīng)計算出波形的最大值，即用有效值*1.414。

（2）TVS的反向變位電壓： 即工作電壓（Vrwm），選擇TVS的Vrwm等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計。

（3）最大峰值脈沖功率： 確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。

（4）最大箝位電壓（Vc）： 所選TVS的Vc應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓。

（5）單極性還是雙極性： 如果TVS可能需要承受來自兩個方向的浪涌電壓沖擊，就應(yīng)該選擇雙極型，否則可以用單極性的TVS。

（6）確定功率： 如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流Ipp，那么可以利用Vc來確定其功率，如果無法確定功率的大概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較穩(wěn)妥。

TVS和壓敏電阻（MOV）的對比：

在常見的接口保護(hù)器件中，壓敏電阻（MOV）也是常見的一種器件，而且它的價格比TVS更低，我們在器件選型時該如何取舍？

但是鉗制電壓的能力稍稍比壓敏電阻要弱一點(diǎn)，而且價格也比壓敏電阻高一些，

壓敏電阻是由陶瓷材料和氧化鋅制成，同樣具備非線性伏安特征，但是其綜合表現(xiàn)能力較差：壓敏電阻的寄生電容值較大；電流過大時其鉗制的電壓會比較高，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2～3倍；電壓低時漏電流會較大；而且在經(jīng)過能量沖擊后容易產(chǎn)生老化，逐漸降低響應(yīng)時間和保護(hù)能力。

不過壓敏電阻也具備成本低，箝制電壓能力強(qiáng)，能承受更大的浪涌電流，體積越大承受電流越大的優(yōu)點(diǎn)，最大脈沖電流甚至可達(dá)幾十萬安培，這些特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路等。

因此TVS更多用在高速信號線、控制線、時鐘線等電路，而且TVS應(yīng)對浪涌比采用壓敏電阻效果好，因此在一些高速數(shù)據(jù)傳輸端口保護(hù)應(yīng)該選用TVS。壓敏電阻主要用在電源電路和一些低速度信號端口，如手機(jī)鍵盤等。

TVS器件應(yīng)用電路示例：

將TVS加在信號及電源線上，可以防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的電路失靈。將TVS二極管放置在信號線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音干擾。

圖6：TVS應(yīng)用于電源保護(hù)和接口保護(hù)