防护器件TVS管基础知识

TVS管基础介绍

1.TVS管简介

2.TVS管分类

3.TVS管的保护原理

4.TVS的应用

（1）在交流电路应用

（2）在直流电路应用

5.选型注意事项（需持续补充）

6.拓展知识

（1）8/20us和10/1000us的区别

（2）电容的作用（原理图EMCchecklist相关）

1.TVS管简介

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。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的响应时间可以达到ps级，是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要求。

图1 TVS在电路中的防护

TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型TVS一般在几百～几千pF的数量级，低结电容型TVS的结电容一般在几pF～几十pF的数量级。一般分立式TVS的结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中，应主要选用低结电容的TVS管。

2.TVS管分类

（1）瞬态电压抑制二极管可以按极性分为单极性和双极性两种，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。

（2）按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如：各种交流电压保护器、 4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。

（3）TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型TVS一般在几百～几千pF的数量级，低结电容型TVS的结电容一般在几pF～几十pF的数量级。一般分立式TVS的结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中，应主要选用低结电容的TVS管。

（4）若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列（适用多线保护）、贴片式、组件式和大功率模块式等。

3.TVS管的保护原理

（1）结合特性曲线，说明TVS如何工作。

当管子两段的反向电压大于VRWM后，管子开始反向导通；反向电压大于VBR后，管子开始被击穿，此时电流开始突变；反向电压大于VC时，管子处于雪崩击穿状态，此时流过管子的电流急剧增加，而管子两端的电压差值变化不大（电压被钳制）。

总结下来就是：反向击穿、雪崩击穿、低阻抗、并且具有钳位作用。

（2）那么该特性曲线中的各个电压与电流都表示的是什么？

反向截至电压VRWM和反向漏电流IR：

反向截止电压VRWM表示TVS管不导通的最高电压，可连续施加而不引起 TVS 劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，用最高工作电压有效值表示，在VRWM下，TVS认为是不工作的，即是不导通的。换一句话，电路的最高工作电压必须小于VRWM，否则将会导致TVS动作导致电路异常。在这个电压下只有很小的反向漏电流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。对 TVS 两端施加电压VRWM，从电流表中读出的电流值即为 TVS的漏电流 IR 。对于同功率和同电压的 TVS，在VRWM≤10V 时，双向 TVS 漏电流比单向 TVS 漏电流大。对于高速接口、射频和模拟等端口，漏电流会影响信号质量，所以TVS的漏电流越小越好。

击穿电压VBR和脉冲直流电流It：

TVS管通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。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。测试的电流It一般选取1mA左右，施加的电流的时间不应超过400ms，以免损坏器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 击穿电压的一个偏差，一般 TVS 为±5%的偏差； VBR约为VRWM的1.2倍。

最大钳位电压VC和脉冲峰值电流IPP：

最大钳位电压VC是TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。VC 是衡量 TVS 在电路保护中限制ESD、Surge电压能力的参数， VC和IPP两个参数是相互联系的。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；同型号的 TVS，IPP 越大，耐脉冲电流冲击能力越强；VC约为VBR的1.3倍。脉冲峰值电流IPP是TVS管允许通过10/1000us波的最大峰值电流（8/20us波的峰值电流约为其5倍左右），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小，一般是几A~几十A。特定ESD器件，一般厂家宣称8/20us波形；对于可以用作浪涌防护的TVS管，厂家同时宣称8/20us和长波10/1000us波形。

脉冲峰值功率Pm：

脉冲峰值功率Pm是指在10/1000us波的脉冲峰值电流IPP与最大钳位电压VC的乘积，即Pm=IPP*VC。在给定的最大钳位电压下，功耗Pm越大，其浪涌电流承受能力也就越大，在给定的功耗Pm下，钳位电压越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形，持续时间和环境温度有关：

典型的脉冲波形持续时间为 1ms，当施加到二极管上的脉冲波形持续时间小于 TP，则随着 TP 的减小脉冲峰值功率增加，TVS 所能承受的瞬态脉冲式不重复的，如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积可能损坏 TVS。

结电容 CJ：怎么影响？

与压敏电阻一样，TVS 管的极间电容 CJ 也较大，且单向的比双向的大（双向的相当于两个电容串联），功率越大的电容也越大，结电容会影响 TVS 的响应时间。

4.TVS的应用

（1）在交流电路应用

若应用在交流电路，一般是双向极性，因为来自两个方向的浪涌电压冲击。如下图是双向TVS在交流电路中的应用例子，这里TVS二极管的作用是有效地抑制电网带来的冲击脉冲，出现过压时候，VRMW上升到击穿电压而被击穿，这时候出现击穿电流，一旦达到峰值IPP，两端的电压就会被箝位到VC以下。这样就保护了后级电路，包括保护整流桥、电容以及后面的元器件。

（2）在直流电路应用

在直流方面，TVS二极管单向即可，TVS与输出负载并联，负载可以是直流电源或者其他输出系统，需要注意的是TVS管的最高反向工作电压至少大于1.2倍电路输入电压，这样电路才较为可靠。

TVS二极管在直流方面应用的更广泛，特别是ESD防护，便携式设备对于ESD很敏感，利用TVS二极管超快速特点，可有效吸收脉冲。

TVS二极管在直流应用的还有很多，例如晶体管保护、集成电路保护、各种负载输出等。

5.选型注意事项（需持续补充）

（1）要明确被保护电路的工作电压，最大工作电压要小于或等于VRWM，如果工作电压大于VRWM，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作（正常工作时TVS管就会被击穿，将工作电压导入地端，电路不能正常工作）；串行连接分电压，并行连接分电流。

（2）VRWM也不能太大，要略高于最大工作电压，否则不能起到保护作用；一般购买TVS管时标的电压就是VRWM，选择时只要选VRWM比工作电压略高的 TVS管即可；

（3）VC就是钳制电压，当突波持续时间较长时，VC就是能将突波电压钳制到的电位，类似稳压二极管的稳压电位；VC小说明TVS容易被损坏，当突波电压比VC大很多，且时间很长时，突波电压和VC的比值越大，TVS管越容易损坏；

（4）TVS 的最大反向钳位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压。

（5）结电容是影响 TVS 在高速线路中使用的关键因素，，如果被保护电路是高频数据线路，则结电容太大，会对数据传输造成影响。在这种情况下，一般用一个 TVS 管和一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等小电容也较小，可以满足高频使用的要求。

（6）在规定的脉冲持续时间内，TVS 的最大峰值脉冲功率 PM 必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率，在确定了最大钳位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

（7）根据用途选用TVS的极性及封装结构，交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。

（8）单向TVS管有正负极，封装上有阴极线，使用和稳压二极管一样，反向连接。

（9）对瞬变电压的吸收功率峰值与瞬变电压脉冲宽度间的关系，手册给的只是特定脉宽下的吸收功率峰值，实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计，对宽脉冲应降额使用。

（10）对小电流负载的保护，可有意识地在电路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值合适，不影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小，这就有可能选用峰值功率较小的 TVS 管来对小电流负载电路进行保护。

（11）对重复出现的瞬变电压的抑制，要注意 TVS 管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

（12）环境温度升高时要降额使用，TVS 管的引线长短，它与被保护线路的相对距离。

（13）需要考虑降额使用的应用场合：功率开关电路；整流二极管（与之同向）；电源变压器；防直流电源反接或电源通断时产生的瞬时脉冲；抑制电机，断电器线圈，螺线管等感性负载产生的瞬时脉冲电压；控制系统的输入输出端。

（14）温度考虑，瞬态电压抑制器可以在－55℃～+150℃之间工作，如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流IR是随增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃～+175℃，大约线性下降50％与击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加，因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

（15）处理瞬时脉冲对元件损害的最好办法是将瞬时电流从感应元件引开，TVS二极管在线路板上与被保护线路进行并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便产生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流透过二极管被引开，避开被保护元件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压，许多元件在承受多次冲击后，其参数及性能会产生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会产生损坏或退化。

（16）在使用TVS保护时的布局考虑：

以太网使用：放在同一侧，尽量靠近变压器使用。

USB保护：注意阻抗匹配。

6.拓展知识

（1）8/20us和10/1000us的区别

8/20us是雷击浪涌的一种波形，通常以内阻2欧姆的一个短路电流波形，上升前沿在8uS，峰值电流下降沿1/2处保持在20us。即充电1KV输出500A的电流波形。现在较多的已经是组合波模式，即短路电流波形为8/20uS，开路电压波形为1.2/50uS。
10/1000us也是一种浪涌波形，以现在执行的标准是短路电流波形与开路电压波形都需要符合波前时间10us，半波时间1000us，内阻10欧姆。即充电1KV输出100A的电压及电流波形。

（2）电容的作用（原理图EMCchecklist相关）

旁路：旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能很好的防止输入过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

去耦：又称解耦，从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中有电感，电阻（特别是芯片引脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。

去耦电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免互相间的耦合干扰。将旁路电容和耦合电容结合起来将更容易理解。旁路电容其实也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提供一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1uF、0.01uF等；而去耦电容的容量一般比较大，可能是10uF或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。

滤波：从理论上（假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成分，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大的电解电容并联了一个小电容，这时大电容同低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过。具体用在滤波中，大电容（1000uF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。可以把滤波电容比作“水塘”，不会因为几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。他把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。

储能：储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40~450VDC、电容值在220~150000uF之间的铝电解电容（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采取串联、并联或其组合的形式，对于功率超过10KW的电源通常采用体积较大的罐型螺旋端子电容器。

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