TVS(Transient Voltage Suppressors，瞬態(tài)電壓抑制器)又稱雪崩擊穿二極管，是一種高效電路保護(hù)器件，主要是保護(hù)電路不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖(靜電或雷擊浪涌)的沖擊。

工作原理

TVS是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個PN結(jié)或多個PN結(jié)集成的器件，其電氣特性是由PN結(jié)面積、摻雜濃度及晶片阻質(zhì)決定的，耐突波電流的能力與PN結(jié)面積成正比。

當(dāng)TVS的反向電壓小于工作電壓VRWM時，TVS處于高阻態(tài)，基本可認(rèn)為不導(dǎo)通；當(dāng)TVS的反向電壓大于擊穿電壓VBR時，TVS的阻抗開始迅速下降，并且TVS的反向電壓將幾乎不變。

當(dāng)TVS受到反向瞬態(tài)高壓尖峰脈沖沖擊時，TVS以ps級的速度由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗瑢⒋蟛糠值哪芰靠焖傥眨⑶毅Q位電壓由擊穿電壓上升至最大箝位電壓VC，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，鉗位電壓也逐漸下降，恢復(fù)到原來狀態(tài)，有效地保護(hù)電子線路元器件免受各種形式的脈沖沖擊。

由于靜電和浪涌的能量、峰值電流、波形和持續(xù)時間的不同，TVS在受到靜電和浪涌沖擊時的電壓波形也不同。下圖是TVS受到+8KV的ESD沖擊時的電壓波形：

下圖是TVS受到峰值電流IPP為62A的浪涌(8/20uS)沖擊時的電壓波形：

關(guān)鍵參數(shù)

TVS關(guān)鍵的參數(shù)有最大反向工作電壓、漏電流、擊穿電壓、最大反向脈沖峰值電流、最大鉗位電壓、脈沖峰值功率、結(jié)電容和動態(tài)電阻。

1、最大反向工作電壓VRWM

最大反向工作電壓就是當(dāng)TVS管反向工作電流為I R (一般IR為0.1uA~1uA)時，TVS管兩端的電壓值。此時TVS管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，即最大反向工作電壓為TVS管不導(dǎo)通的最高電壓。

為了不影響電路正常工作，應(yīng)使VRWM不低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓；從漏電的角度考慮，特別是超低功耗產(chǎn)品設(shè)計中，VRWM與被保護(hù)信號的工作電壓差值越大，漏電流則越小。

2、漏電流IR

漏電流是指在最大反向工作電壓條件下，流過TVS的最大電流。一般來說，IR是個uA級以下的小電流，此時TVS管只有很小的功耗。

當(dāng)TVS用于高阻抗電路時，漏電流是一個重要的參數(shù)，比如：在ADC采樣電路中，漏電流可能影響ADC的采樣值。

3、擊穿電壓VBR

擊穿電壓就是當(dāng)TVS管反向工作電流為IBR(一般IBR為1mA~10mA)時，TVS管兩端的電壓值。擊穿電壓是TVS管導(dǎo)通的標(biāo)志，當(dāng)反向電壓超過擊穿電壓，隨著反向電壓增大，反向電流將急劇增加。

通常擊穿電壓和最大反向工作電壓有如下公式：

V RWM =(0.80.9)VBR~

4、最大脈沖峰值電流IPP

最大反向脈沖峰值電流是指TVS按照IEC61000-4-5或GB/T 17626.5標(biāo)準(zhǔn)，使其工作在規(guī)定的電流脈沖(8/20uS或10/1000uS)波形下，TVS允許通過的最大峰值電流。

如果data sheet中只標(biāo)注了8/20uS脈沖下的峰值電流，我們可以通過峰值脈沖功率-時間曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，來獲得10/1000uS脈沖波形的峰值電流。在ESD5651N的PPPM和Td的關(guān)系圖可以看出，在1000uS時，峰值功率大致為65W，并且又因為TVS能夠承受不損壞自身的電壓是固定的，所以10/1000uS波形下的峰值功率為：65W/15V=4.3A。

注：ESD5651N的最大鉗位電壓為15V。

對于data sheet中沒有上述關(guān)系圖的TVS，可以按照保守點的經(jīng)驗值估算： 相同的TVS在8/20uS的脈沖下測得的峰值電流將是10/1000uS脈沖下的5倍 。

5、最大箝位電壓VC(max)

最大箝位電壓是指在峰值電流為IPP的8/20uS脈沖作用下TVS兩端箝住的電壓，一般取30ns時的電壓值，VC(max)應(yīng)小于后級被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，否則后級被保護(hù)電路將損壞。

最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝位系數(shù)，即：箝位系數(shù)=VC(max)/VBR，一般箝位系數(shù)為1.3左右。

當(dāng)對TVS施加ESD時，可通過下圖電路測量出TVS兩端的電壓波形，從而可清晰地知道TVS在ESD作用下的箝位電壓和反應(yīng)時間。

6、脈沖峰值功率PPK

脈沖峰值功率是指在規(guī)定的脈沖條件下，TVS瞬間能承受的最大功率值，反映了TVS浪涌抑制能力。TVS的PPK取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓VC(max)，但是除此以外，還和脈沖波形、脈沖時間及環(huán)境溫度有關(guān)。

所以最終TVS的脈沖峰值功率計算公式為：

PPK=(K1K2IPP*VCmax)/K3

式中K1為功率系數(shù)，K2為溫度系數(shù)，K3為時間系數(shù)。

功率系數(shù)K1取值如表2.1，8/20uS的電流波可認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)波。

表2.1 常見波形的功率系數(shù)

溫度系數(shù)K2可通過data sheet中的功率降額 VS 環(huán)境溫度曲線直接獲取。

時間系數(shù)K3可根據(jù)峰值脈沖功率-時間曲線直接按比例轉(zhuǎn)換。

7、結(jié)電容CPP

結(jié)電容是指TVS的寄生電容，它由PN結(jié)面積和反向電壓決定。同一個系列的TVS，功率越大，結(jié)面積就越大，寄生電容也越大；同一個TVS的結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，在擊穿時減到最小。

參考羅廣孝、崔翔等人的《TVS靜電抑制器等效電路參數(shù)估算及應(yīng)用》可知，結(jié)電容的大小會影響TVS的響應(yīng)時間，電容越大，TVS響應(yīng)時間越長。

另外結(jié)電容也會影響電路中信號的傳輸質(zhì)量，結(jié)電容越大，對信號影響越大。所以針對不同的信號，特別是高速信號，需要選擇合適的結(jié)電容才能保證正常的通信，表2.2為德州儀器(TI)關(guān)于常見接口中的結(jié)電容的推薦值。

表2.2 常見接口中TVS結(jié)電容推薦表

8、動態(tài)電阻RDYN

動態(tài)電阻是當(dāng)導(dǎo)致?lián)舸┑姆聪螂妷菏┘拥絋VS時，V-I曲線上兩個指定高電流點處的電流斜率，即：

RDYN=(VC-VBR)/IPP

TVS選型

1、選擇最大反向工作電壓

在電路正常工作情況下，TVS應(yīng)該處于截止?fàn)顟B(tài)，即TVS的VRWM應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓；但是，如果TVS的工作電壓VRWM選取過大，會導(dǎo)致鉗位電壓VC過大，而超過電路的最高瞬態(tài)耐受電壓。所以在選擇VRWM時，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級電路的承受能力：

VRWM=(1.1~1.2)VCC

其中VCC為電路的最高工作電壓。

對于會被漏電流影響的電路，如模擬采樣、低功耗等電路，VRWM應(yīng)盡量選擇大一點，以保證TVS在正常工作電壓下的漏電流不會影響電路工作。

2、選擇箝位電壓

箝位電壓VC應(yīng)小于后級被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓；否則，當(dāng)TVS鉗在VC時會對電路造成損壞。

對于浪涌管，箝位電壓VC的選擇可參考以下公式：

VC=VC(max)=(1.2~1.5)VCC

VC

其中VMAX為電路能承受的最高瞬態(tài)電壓，根據(jù)周文俊、王繼業(yè)等人在2001年發(fā)表的《常用通信接口芯片過電壓耐受能力》，可知微電子器件最低耐受電壓建議采用1.5倍正常工作電壓作為其過電壓保護(hù)器件的最高殘壓。

對于ESD管，箝位電壓VC的選擇可參考以下公式：

VC=VC@ESD=(1.2~1.5)VCC

VC

式中VMAX為電路能承受的最高瞬態(tài)電壓；VC@ESD為ESD管承受相應(yīng)等級的靜電接觸放電時的箝位電壓，如果該參數(shù)data sheet中沒有明確給出，也可以通過傳輸線脈沖(TLP)響應(yīng)曲線來找到與靜電等級對應(yīng)的箝位電壓，這是因為TLP曲線與IEC61000-4-2波形具有相似的特性。

TLP電流與靜電等級對應(yīng)關(guān)系如表4.1所示。

表4.1 ESD等級與TLP測試電流對應(yīng)表

3、選擇額定瞬態(tài)功率

ESD管選型時，通常data sheet中會直接說明抗靜電能力，所以基本不需要考慮額定瞬態(tài)功率；但是對浪涌管來說，額定瞬態(tài)功率是一個非常重要的參數(shù)。

理論上，TVS的額定瞬態(tài)功率越大，其能夠承受的沖擊能量和次數(shù)越多；但是功率越大，封裝越大，成本也越高；所以TVS的額定瞬態(tài)功率只需要滿足測試要求：大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率即可。

電路中最大瞬態(tài)浪涌功率通常是根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境(可參考GB/T 17626.5附錄A)或者用戶自定義的浪涌等級來選擇的。則假設(shè)實際電路中最大測試電流為IPP，則IPP可估算為：

IPP=UPP/Ri

其中UPP為測試電壓，即浪涌等級；Ri為測試內(nèi)阻，通常電源線差模測試為2Ω，電源線共模測試為12Ω，通信線為42Ω，參考表3.3；

通過上式計算出脈沖峰值電流后，再通過下式計算出電路中的最大瞬態(tài)浪涌功率。

PPK=IPP*VC(max)

所以浪涌管的額定瞬態(tài)功率稍大于上述計算出的最大瞬態(tài)浪涌功率即可。如式2.2，浪涌管的額定瞬態(tài)功率還和設(shè)備的工作溫度有關(guān)，所以選型時需要按照功率-溫度降額曲線來選擇；另外實際使用中可以再預(yù)留一定比例(30%~50%)的余量。

根據(jù)公式計算的脈沖峰值功率在極短的時間內(nèi)對TVS是不可重復(fù)施加的，但是在實際應(yīng)用中，浪涌通常是重復(fù)地出現(xiàn)。所以，即使單個脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復(fù)施加，這些單個脈沖能量積累起來，在某些情況下，也會超過TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計必須在這點上認(rèn)真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至超過TVS器件的脈沖能量額定值。

4、選擇結(jié)電容

在高速信號的防護(hù)中，若TVS的結(jié)電容過大則會影響信號正常通訊，此時選擇一個合適的結(jié)電容則是至關(guān)重要的，常見信號接口結(jié)電容選型可參考表2.2。

有時為了獲得較大的PPPM，TVS的結(jié)面積就會增加，從而導(dǎo)致寄生電容也增加；這時可以通過TVS的串并聯(lián)設(shè)計來降低TVS的寄生電容，詳情可參考《簡述如何減小TVS寄生電容的應(yīng)用》。

5、示例

整機(jī)直流工作電壓12V，浪涌源的阻抗50MΩ，其干擾波形為方波，TP=1mS，最大峰值電流50A。

1、先從工作電壓12V選取最大反向工作電壓VRWM=13V；

2、從最大反向工作電壓選取最大箝位電壓VC(max)=1.5*VRWM=19.5V，取VC(max)=18V；

3、再從箝位電壓VC和最大峰值電流IP計算出方波脈沖功率：PPP=VC×IP=18*50=900W；

4、將方波脈沖功率轉(zhuǎn)換為TP=1mS指數(shù)波的峰值功率，折合系數(shù)K1=1.4，PPP=900÷1.4=643W；

5、再考慮溫度因素(62.5℃時K2=0.7)，峰值脈沖功率為PPP=643÷0.7=924W，所以取PPP=1000W；

綜上，選擇的TVS參數(shù)為：VRWM=13V，VC(max)=18V，PPP=1000W@10/1000uS；