[技術淺談 TechTalk] TVS簡介

PN結二極管具有正向導通，反向關斷的特性，通過不同的材料、摻雜、外延以及工藝的改進使其廣泛應用于電力電子行業(yè)功率變換與電路保護，TVS二極管具有響應速度快、漏電流小、鉗位電壓穩(wěn)以及無壽命衰減的特性，從小到信號線靜電防護，大到電力系統(tǒng)抗雷擊浪涌，TVS都發(fā)揮著至關重要的作用。本章對TVS工作機理與核心參數(shù)展開分析，供產(chǎn)品選型參考。

TVS二極管工作原理

TVS二極管，既瞬態(tài)抑制二極管，又叫雪崩擊穿二極管，采用半導體工藝制成的單個PN結或多個PN結集成的器件。TVS二極管有單向與雙向之分，單向TVS二極管一般應用于直流供電電路，雙向TVS二極管應用于電壓交變的 電路。當應用于直流電路時，單向TVS二極管反向并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時，TVS二極管處于截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當電路出現(xiàn)異常過電壓并達到TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失后，TVS 阻值又恢復為高阻態(tài)。

TVS二極管在結構上改進增大PN結面積，使其瞬態(tài)通流能力大大提高，其摻雜濃度與耐壓成反比與浪涌電流成正比，低摻雜使得節(jié)點獲得更高耐壓，相應的通流能力變?nèi)酰ㄟ^擴大晶圓尺寸的方式來能解決高壓與大通流不可兼容的問題，同樣的也會帶來成本的增加。

在實際應用中如果無需單向TVS二極管正向導通來實現(xiàn)一定程度的續(xù)流，那么采用雙向TVS二極管可以達到同樣保護效果，同時還具有防止直流電壓反接而引起的TVS短路燒毀現(xiàn)象。

齊納擊穿與雪崩擊穿

TVS二極管與Zener二極管同樣作為過壓保護， TVS著重浪涌電壓的鉗位保護，具有抗大電流沖擊的能力；Zener管著重于穩(wěn)壓效果，具有浪涌電流小，保護電壓穩(wěn)的特點，兩者在原理與保護特性有所區(qū)別，同時在個別應用領域又能一定程度的互換。

齊納擊穿

當反向電壓增大到一定值時，勢壘區(qū)內(nèi)就能建立起很強的電場，它能夠直接將束縛在共價鍵中的價電子拉出來，使勢壘區(qū)產(chǎn)生大量的電子一空穴對，形成較大的反向電流，產(chǎn)生擊穿，把這種在強電場作用下，使勢壘區(qū)中原子直接激發(fā)的擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。

齊納擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較高的PN結，空間電荷區(qū)的電荷密度很大，寬度較窄，只要加不大的反向電壓，就能建立起很強的電場，發(fā)生齊納擊穿。

雪崩擊穿

隨著反向電壓的提高，空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強，通過勢壘區(qū)的載流子獲得的能量也隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓Vbr時，這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內(nèi)的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子一空穴對。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會在電場的作用下，重新獲得能量，碰撞其它的中性原子使之電離，再產(chǎn)生更多的電子一空穴對。這種連鎖反應繼續(xù)下去，使空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產(chǎn)生擊穿。所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿。

雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較低的PN結，空間電荷區(qū)寬度較寬，發(fā)生碰撞電離的機會較多。

TVS二極管主要參數(shù):

TVS作為浪涌保護器件，熟練掌握其關鍵參數(shù)能幫助產(chǎn)品選型與設計。這里以SMC(DO-214AB)封裝大功率8kW產(chǎn)品8.0SMDJ系列為例展開介紹。

耗散功率，正向峰值電流，正向導通壓降，工作溫度以及熱阻等參數(shù)可以在應用中作為參考，正向導通特性僅限于單向TVS，在一定程度上可以作為小電流泄放回路。

峰值脈沖功率Pppm

TVS二極管通常是10/1000us波形下達到的瞬態(tài)峰值功率，是最大脈沖電流峰值與最大鉗位電壓的乘積，鑒于實際應用會碰到各種不同脈沖寬度的浪涌沖擊，規(guī)格書同步給出了峰值脈沖功率與脈沖寬度曲線作為設計參考，從曲線可以看出，隨著脈沖時間縮短，瞬時功率得到提升，一只典型的TVS在脈沖8/20us下的脈沖功率是10/1000us波形下的5~10倍。

TVS二極管雪崩效應具有正溫度系數(shù)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二極管脈沖峰值功率在高溫下需要考慮降額。

截止電壓Vr

TVS 的截止電壓，可連續(xù)施加而不引起 TVS損壞的最高工作峰值電壓。TVS符合二極管的反向耐壓特性，電壓越高漏電流越大，因此截止電壓通常是定義在uA級電流下，此電流幅值并聯(lián)于電路當中不會對信號產(chǎn)生衰減，同時長時間工作狀態(tài)下不會因為漏電流過大導致過熱而失效。因此在產(chǎn)品選型時，電路的最高工作電壓必須小于Vr，否則將會引起TVS動作導致電路異常。

漏電流Ir

漏電流，也稱待機電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過 TVS 反向的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于一些信號端口，漏電流會為控制或通訊線路的電壓信號提供泄放通道，所以TVS的漏電流越小越好。

擊穿電壓Vbr/測試漏電流It

擊穿電壓是TVS二極管反向截止與雪崩擊穿工作分界線，測試方式為在TVS兩端施加電壓，直到對應的測試漏電流It為1mA或者10mA，此時測出的電壓為擊穿電壓。TVS二極管在生產(chǎn)時存在一致性偏差，通常選定誤差范圍為±5%，在誤差范圍以外的產(chǎn)品在產(chǎn)品出廠前會被判定為不良品而篩除。

鉗位電壓Vc/峰值脈沖電流Ipp

最大鉗位電壓與峰值脈沖電流構成了TVS二極管浪涌保護能力，即前面講到的峰值脈沖功率Pppm。TVS 一般選用給定 10/1000μs 峰值脈沖電流波形時， TVS 兩端測得的峰值電壓。對于相同規(guī)格TVS，在相同 峰值脈沖電流下的鉗位電壓越小，說明 TVS 的鉗位保護特性越好。

結電容Cj

TVS二極管的結電容與擊穿電壓成反比，擊穿電壓越高，結電容越小。相比于單向TVS，雙向TVS因自身等效雙二極管反向串聯(lián)的工藝擁有更低的結電容。

眾所周知電容具有隔直通交的效果，通過RC構成時間常數(shù)，因此對于高頻信號就需要通過減小等效電阻以及結電容來減少信號衰減。TVS結電容較大通常用于頻率較低的浪涌保護，通過減小芯片尺寸以及串聯(lián)的方式可以減小TVS結電容，但是也帶來了浪涌能力減弱的情況。如下SP3401-02UTG通過整流二極管的搭配與TVS構成串聯(lián)回路，實現(xiàn)了不犧牲浪涌能力Ipp 10A下的低結電容Cj 0.35pF。

結電容固然對于信號有所影響，但是好的設計會適當選擇，而不是一味追求低容值，如下來自Littelfuse結電容推薦供參考。

浪涌沖擊保護器件從材料可以分為半導體與非半導體，其中TVS與固體放電管為半導體，壓敏與氣體放電管為非半導體，非半導體通過物理變化起到的保護作用都存在壽命衰減的概念；從保護機理可以分為鉗位型與導通型，鉗位型具有殘壓高、吸收能量大的特點，導通型具有殘壓低、轉移能量大的特點，壓敏與TVS為鉗位型，氣體放電管與固體放電管為導通型，導通型只有在電壓過零時才會關斷，因此適用于交流回路，如果用在直流電上，需要與鉗位型器件搭配，或者有個切斷開關。

通常產(chǎn)品類別的電氣特性有所區(qū)別，因此在產(chǎn)品選型時要根據(jù)實際保護機制、可靠性以及成本綜合考慮。在信號端口靜電防護里面也會涉及到不同材料，TVS與聚合物ESD是比較常用的，聚合物與氣體放電管相似，采用尖端放電原理，導電材料換為聚合物，聚合物ESD具有極低結電容的特點，尤其適用于高頻信號端口防護，當然現(xiàn)在的TVS通過工藝改進結電容也越做越低。

來源：Littelfuse

作者：Rambo Liu