TVS 管性能及選型

一．TVS 管概述TVS（Transient Voltage Suppressor）瞬態(tài)電壓抑制器。

當(dāng)兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，能以 10 的負(fù) 12 次方秒量級的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。在浪涌電壓作用下，TVS 兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓 VWM 上升到擊穿電壓 VBR，而被擊穿，隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過 TVS 的電流將達(dá)到峰值脈沖電流 IPP，同時在其兩端的電壓被鉗位到預(yù)定的最大鉗位電壓 VC 以下，其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS 兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)；TVS 管有單向與雙向之分，單向 TVS 管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向 TVS管的特性相當(dāng)于兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。

二．其主要特性參數(shù)1、反向截止電壓 VRWM 與反向漏電流 IR：反向截止電壓 VRWM 表示 TVS 管 不導(dǎo)通的最高電壓，在這個電壓下只有很小的反向漏電流 IR。2、擊穿電壓 VBR：TVS 管通過規(guī)定的測試電流時的電壓，這是表示 TVS 管導(dǎo) 通的標(biāo)志電壓。3、脈沖峰值電流 IPP：TVS 管允許通過的 10/1000μs 波的最大峰值電流（8/20μs 波的峰值電流約為其 5 倍左右），超過這個電流值就可能造成永久性損壞。在同一個系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小，一般是幾 A～幾十 A。4、最大箝位電壓 VC：TVS 管流過脈沖峰值電流 IPP 時兩端所呈現(xiàn)的電壓。5、脈沖峰值功率 Pm：脈沖峰值功率 Pm 是指 10/1000μs 波的脈沖峰值電流 IPP 與最大箝位電壓 VC 的乘積，即 Pm=IPP*VC；在給定的最大鉗位電壓下， 功耗 PM 越大，其浪涌電流承受能力越大，在給定的功耗 PM 下，鉗位電壓越 低，其浪涌電流的承受能力越大；另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形，持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)：典型的脈沖波形持續(xù)時間為 1ms，當(dāng)施加到二極管上的脈沖波形持續(xù)時間小于 TP，則隨著 TP 的減小脈沖峰值功率增加；TVS 所能承受的瞬態(tài)脈沖式不重復(fù)的，如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積可能損壞 TVS。6、穩(wěn)態(tài)功率 P0：TVS 管也可以作穩(wěn)壓二極管用，這時要使用穩(wěn)態(tài)功率。7、極間電容 Cj：與壓敏電阻一樣，TVS 管的極間電容 Cj 也較大，且單向的比 雙向的大，功率越大的電容也越大，極間電容會影響 TVS 的響應(yīng)時間。8、峰值電流波形：A、正弦半波B、矩形波C 、標(biāo)準(zhǔn)波（指數(shù)波形）D、三角波TVS 峰值電流的試驗(yàn)波形采用標(biāo)準(zhǔn)波（指數(shù)波形），由 TR/TP 決定。峰值電流上升時間 TR: 電流從 0.1IPP 開始達(dá)到 0.9 IPP 的時間。半峰值電流時間 TP：電流從零開始通過最大峰值后，下降到 0.5IPP 值的時間。下面列出典型試驗(yàn)波形的 TR/TP 值：EMP 波：10ns /1000ns 閃電波：8μs /20μs 標(biāo)準(zhǔn)波：10μs /1000μs

三．優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快（為 ns 級）、瞬態(tài)功率大、漏電流低；其 10/1000μs 波脈沖功率從 400W～30KW，脈沖峰值電流從 0、52A～544A；擊穿電壓有從 6、8V～550V 的系列值，便于各種不同電壓的電路使用。缺點(diǎn)：耐浪涌沖擊能力較放電管和壓敏電阻差；穩(wěn)壓二極管：反應(yīng)較慢；一般用于電壓精度要求高的地方（一般較?。览擞?，擊穿電壓精準(zhǔn)，各壓值檔都有；齊納擊穿；壓敏電阻：與穩(wěn)壓二極管相似，但不可恢復(fù)；

四．選型依據(jù)及注意事項(xiàng)：1、 TVS 的最大反向鉗位電壓 VC 應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓；2、TVS 的額定反向關(guān)斷電壓 VWM 要大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓， 若選用的 VWM 太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作； 串行連接分電壓，并行連接分電流。3、 交流電壓只能用雙向 TVS；4、在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS 的最大峰值脈沖功率 PM 必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率，在確定了最大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流；5、結(jié)電容是影響 TVS 在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個 TVS 管和一個快恢復(fù)二極管以背對背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等小電容也較小，可以滿足高頻使用的要求；6、需要考慮降額使用的應(yīng)用；應(yīng)用場合：功率開關(guān)電路；整流二極管（與之同向）；電源變壓器；防直流電源反接或電源通斷時產(chǎn)生的瞬時脈沖；抑制電機(jī)，斷電器線圈，螺線管等感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬時脈沖電壓；控制系統(tǒng)的輸入輸出端；7、確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。
8、對于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適寄生電容的TVS器件。
9、根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理；多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。
10、溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在－55℃～+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大；功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線性下降50％與擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。11、處理瞬時脈沖對元件損害的最好辦法是將瞬時電流從感應(yīng)元件引開。TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便產(chǎn)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時電流透過二極管被引開，避開被保護(hù)元件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動回復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進(jìn)入正常電壓。許多元件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會產(chǎn)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會產(chǎn)生損壞或退化。
使用注意事項(xiàng)：1、對瞬變電壓的吸收功率峰值與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系，手冊給的只是特 定脈寬下的吸收功率峰值，實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計(jì)，對寬脈沖應(yīng)降額使用；2、對小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識地在電路中增加限流電阻，只要限流電阻的 阻值合適，不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小，這就有可能選用峰值功率較小的 TVS 管來對小電流負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)；3、對重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，要注意 TVS 管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)；4、環(huán)境溫度升高時要降額使用，TVS 管的引線長短，它與被保護(hù)線路的相對距 離；

五．應(yīng)用舉例直流電路中選用舉例：整機(jī)直流工作電壓 12V，最大允許安全電壓 25V（峰值），浪涌源的阻抗 50MΩ，其干擾波形為方波，TP=1ms，最大峰值電流 50A。選擇：1、先從工作電壓 12V 選取最大反向工作電壓 VRWM 為 13V，則擊穿電壓為 V（BR）=VRWM/0.85=15.3V；2、從擊穿電壓值選取最大箝位電壓 VC（MAX）=1.30×V(BR)=19.89V，取 VC=20V；3、再從箝位電壓 VC 和峰值電流 IP 計(jì)算出方波脈沖峰值功率：PPR=VC×IP=20×50=1000W4、計(jì)算折合為 TP=1MS 指數(shù)波的峰值功率，折合系數(shù) K1=1.4， PPR=1000W÷1.4=715W 交流電路選用舉例：直流線路采用單向瞬變電壓抑制二極管，交流則必須采用雙向瞬變電壓抑制二極管。交流是電網(wǎng)電壓，這里產(chǎn)生的瞬變電壓是隨機(jī)的，有時還遇到雷擊（雷電感應(yīng)產(chǎn)生的瞬變電壓）所以很難定量估算出瞬時脈沖功率 PPR。但是對最大反向工作電壓必須有正確的選取。一般原則是交流電壓乘 1.4 倍來選取 TVS 管的最大反向工作電壓。直流電壓則按 1.1—1.2 倍來選取 TVS 管的最大反向工作電壓VRWM。TVS 保護(hù)直流穩(wěn)壓電源實(shí)例：圖中是一個直流穩(wěn)壓電源，并有擴(kuò)大電流輸出的晶體管，在其穩(wěn)壓輸出端加上瞬變電壓抑制二極管，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時還可圖中是一個直流穩(wěn)壓電源，并有擴(kuò)大電流輸出的晶體管，在其穩(wěn)壓輸出端加上瞬變電壓抑制二極管，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時還可以吸收電路中的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，保護(hù)晶體管，建議在每個穩(wěn)壓電源輸出端加一個TVS 管，可以大幅度提高整機(jī)應(yīng)用的可靠性；還有用 TVS 保護(hù)晶體管，集成電路，可控硅，功率 MOS 管（在柵源之間加上 瞬變電壓抑制二極管，可防止柵極擊穿），繼電器等；繼電器的觸點(diǎn)往往用大電流去開關(guān)電動機(jī)等大電流電感負(fù)載，而電感在開關(guān)時有很高的反電勢，而且有較大的能量，往往把觸點(diǎn)燒壞或擊穿產(chǎn)生電弧等，必須對觸點(diǎn)采取保護(hù)，抑制電弧的產(chǎn)生，以保護(hù)繼電器。但是這種電弧產(chǎn)生的浪涌電流很大，過去采用電容或者用電容串聯(lián)電阻、二極管、二極管串聯(lián)電阻等抑制方案，現(xiàn)在采用瞬變電壓抑制二極管方案效果更好。

直流電源防護(hù)設(shè)計(jì)

室外網(wǎng)口防護(hù)電路

注意，TVS管的寄生電容可能影響信號完整性，可以使用壓敏電阻放在變壓器抽頭，作為防護(hù)電路，支持更高速率的網(wǎng)口設(shè)計(jì)。

232防護(hù)電路設(shè)計(jì)

485防護(hù)電路設(shè)計(jì)

六、壓敏電阻 VS TVS管

1、材料本征響應(yīng)時間由上面的導(dǎo)通機(jī)理分析可以知道，氧化鋅壓敏陶瓷導(dǎo)電機(jī)理是隧道擊穿，所以其材料響應(yīng)時間就是其隧道電子擊穿時間，一般為0.3ns。TVS管導(dǎo)電機(jī)理是雪崩擊穿，其響應(yīng)時間就是其雪崩電子擊穿時間，一般在0.5~1ns之間。

2、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對響應(yīng)時間影響片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨(dú)石結(jié)構(gòu)，其寄生電感非常小，對其響應(yīng)時間影響甚微，有些設(shè)計(jì)人員談到的壓敏電阻響應(yīng)時間慢主要指用于AC端防浪涌的插件壓敏電阻，因?yàn)檩^長的引線引入寄生的電感導(dǎo)致響應(yīng)時間較慢（25ns）。而TVS管為了SMT要求，在其兩端設(shè)計(jì)電極引線，也會產(chǎn)生寄生電感，對其響應(yīng)時間有一定影響。而ESD放電波形一般在1nS達(dá)到峰值（如圖6），這就需要過電壓防護(hù)器件在1nS內(nèi)迅速響應(yīng)，鉗制過電壓，保護(hù)IC和ESD敏感線路。從響應(yīng)時間看，片式壓敏電阻和TVS的響應(yīng)時間都滿足ESD防護(hù)的需求，從而起到良好的防護(hù)效果。

綜合以上分析和對比，片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制電壓較低，瞬態(tài)內(nèi)阻較小，適合應(yīng)用于耐ESD電壓特別差或者被保護(hù)部位阻抗特別小的部位(如聽筒，MIC,音頻等)。而壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強(qiáng)，除了一般的ESD防護(hù)，也特別適合于電源部位和較大瞬態(tài)能量的部位過壓防護(hù)。在響應(yīng)時間方面，要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應(yīng)時間慢的誤區(qū)。由于工藝的差異，片式壓敏電阻的價格要遠(yuǎn)低于TVS，表現(xiàn)出良好的性價比，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)電路的實(shí)際應(yīng)用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。

TVS 是半導(dǎo)體保護(hù)器件，具有響應(yīng)速度快，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。弱點(diǎn)一是無法承受太大的瞬間電流，二是其箝位電壓隨著電流增加而增加。

特別適合于不需要旁路大能量的低電壓場合應(yīng)用。示例電路如下：

壓敏電阻的突破承載取決于它的物理尺寸，因而可以獲得較高的浪涌電流值。其箝位特性使他可以為AC或DC電源線應(yīng)用中作為瞬態(tài)保護(hù)元件。壓敏電阻的價格較為低廉。

相比TVS二極管它的缺點(diǎn)是寄生電容較大，響應(yīng)時間較慢，離散性大。

另外，壓敏電阻會產(chǎn)生蛻化，因此存在可靠性和性能問題。

實(shí)例電路AC200V電源防雷：

DC12V/24V 電源防雷：

7、陶瓷氣體放電管 VS TVS
陶瓷氣體放電管（GAS TUBE）：主要用于線路中的防雷和過壓保護(hù)。氣體放電管指作過電壓保護(hù)用的避雷管或天線開關(guān)管一類，管內(nèi)有二個或多個電極，充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護(hù)元件，它用在通信系統(tǒng)的防雷保護(hù)。

當(dāng)外加電壓增大到超過氣體的絕緣強(qiáng)度時，兩極間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，導(dǎo)通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平。

GDT 的特點(diǎn)是大通流量、高耐壓值、極低的結(jié)間電容。缺點(diǎn)是多次工作后性能下降需要更換，并且在有源接口應(yīng)用時必須要注意維持電壓或者續(xù)流問題，因此一般也多配合壓敏電阻使用。

GDT的工作模式：

雷擊電壓通過不同電壓防護(hù)器件的波形

8、電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管（TSS）VS TVS

圖 TSS管的原理圖符號

電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管（TSS，Thyristor SurgeSuppressor）與TVS管相同，也是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。當(dāng)TSS管兩端的過電壓超過TSS管的擊穿電壓時，TSS管將把過電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后，TSS恢復(fù)開路狀態(tài)。
TSS是電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管，就是涌抑制晶體管，或者叫做導(dǎo)體放電管，固體放電管等等。TSS管是利用半導(dǎo)體工藝制成的保護(hù)器件，主要用于信號電路的防雷保護(hù)。不能用在電源端口。TSS器件的通流容量一般最高可達(dá)到150A（8/20uS）。
TSS管和TVS管都是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)器件，TSS管是電壓開關(guān)型的。TVS是電壓鉗位型的。TSS管在響應(yīng)時間，結(jié)電容方面與TVS管是相同特點(diǎn)，易于制成表貼器件，很適合在單板上使用。TSS管適合于信號電平較高的信號電路保護(hù)。
TSS管在響應(yīng)時間、結(jié)電容方面具有與TVS管相同的特點(diǎn)。易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動作后，將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這時二極管的結(jié)壓降小，所以用于信號電平較高的線路（例如：模擬用戶線、ADSL等）保護(hù)時通流量比TVS管大，保護(hù)效果也比TVS管好。TSS適合于信號電平較高的信號線路的保護(hù)。
在使用TSS管時需要注意的一個問題是：TSS管在過電壓作用下?lián)舸┖?，?dāng)流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復(fù)開路狀態(tài)，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS管的臨界恢復(fù)電流。臨界恢復(fù)電流值隨TSS管的型號和設(shè)計(jì)應(yīng)用場合的不同而不同，使用時應(yīng)注意在器件手冊中查明所用具體型號的確切值。
TSS管的擊穿電壓（min(UBR））、通流容量是電路設(shè)計(jì)時應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在信號回路中時，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。
TSS管較多應(yīng)用于信號線路的防雷保護(hù)。
TSS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成TSS管被炸裂而開路。TSS管的使用壽命相對較長。