TVS瞬态抑制二极管选型指南

一、TVS二极管工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors）二极管，即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管，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。

用法：TVS二极管有单向与双向之分，单向TVS二极管一般应用于直流供电电路，双向TVS二极管应用于电压交变的电路。

接法：

当应用于直流电路时，单向TVS二极管反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS二极管处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。

原理：

当电路出现异常过电压并达到TVS二极管击穿电压时，TVS二极管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二极管阻值又恢复为高阻态。

TVS的叫法有很多，亦称为TVS管、TVS二极管、瞬态抑制二极管、瞬变电压抑制二极管、雪崩击穿二极管等。TVS，是在齐纳二极管工艺基础上发明的一种新型高效电路保护元器件，具有PS级响应速度、大瞬态功率、低漏电流和电容、箝位电压易控制、击穿电压偏差小、可靠性高、体积小、安装方便等优势。在正常电路中，TVS不工作且不会影响电路的正常工作。一旦电路中出现异常时，TVS两端经受瞬间高能量冲击时，以PS秒级的速度把TVS两端的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把TVS的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的精密元器件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。TVS的应用有很多，下面主要介绍：TVS在汽车电源线的应用。

东沃（DOWO）供应的TVS二极管产品从封装形式可分为10类：

• DO-218AB：SM5S、SM6S、SM8S、SM8SxxCA；

• SMA/DO-214AC：SMAJ、P4SMA、TPSMAJ、SMA6J、TPSMA、SACA；

• SMB/DO-214AA：SMBJ、P6SMB、TPSMBJ、SMB10J、SACB、1.0SMB、TPSMB；

• SMC/DO-214AB：1.5SMC、SMCJ、TPSMCJ、SMDJ、TPSMDJ、5.0SMDJ、TP5.0SMDJ、TPSMC；

• SOD-123：SMF、TPSMF、SMF4L、SMF3.3A、SMF3V3A；

• DO-41：P4KE;

• DO-15：SA、P6KE、SAC；

• DO-201：1.5KE、LCE；

• R-6/P600：3KP、5KP、LDP、15KP、30KP；

• NA：KA

二、TVS二极管特性特点

• 采用半导体工艺制成，具有很高的可靠性，无损坏极限；

• 玻璃钝化工艺，精准的导通电压；

• 瞬态功率大，低电容、低漏电流，箝位电压易控制；

• 快速响应时间：通常小于1.0PS；

• 优良的钳位能力，击穿电压偏差小；

• 电压精度高，在特殊应用场合，通过工艺或参数筛选可达到更高的精度；

• 体积小，易安装；

• 单向和双向单元；

• 在 10/1000μs波形下瞬态功率可达200W-30000W，甚至更高；

• 工作电压范围3.3V~600V，甚至更高；

• 封装形式多样化，贴片封装：SOD-123、SMA /DO-214AC、SMB/DO-214AA、SMC/DO-214AB、DO-218AB等，直插封装：DO-41、DO-15、DO-201、R/P-600等；

• 无卤化，符合RoHS；

三、TVS二极管选型指南

1）要确定被保护电路中的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和“高端”容限；

2）TVS管的额定瞬态功率要大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率；

3）TVS管的截止电压要大于被保护电路的最高工作电压；

4）TVS管的最大钳位电压要小于后级被保护电路中的损坏电压；

5）确定好TVS管最大箝位电压后，其峰值脉冲电流要大于瞬态浪涌电流；

6）对于数据接口的电路保护，还需注意选取具有合适电容的TVS二极管。比如：当信号频率或传输速率较高时,应选用低电容系列的TVS管；

四、TVS二极管参数详解

• VRWM ：截止电压， TVS二极管的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS二极管劣化或损坏状态下，达到的最大的直流电压或交流峰值电压。在VRWM下，TVS二极管是不工作的，不导通。

• VC：钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流IPP时，TVS二极管两端测得的峰值电压。

• VBR：击穿电压，是TVS管的最小雪崩电压。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。

• IR：漏电流，亦称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS二极管的最大电流，其值是在截止电压下测量的。

• IPP：峰值脉冲电流，一般在10/1000μs电流波形下的峰值。

• IT：测试电流。

• C：电容值，对于同功率等级的TVS管而言，电压越低电容值就越大。在通信线路的防护中，尤其要注意TVS管的电容值。

• 封装形式：从TVS管的封装形式，可以看出其功率大小。TVS管的芯片面积直接决定其功率等级。

五、TVS二极管选型注意事项

1）规格书手册给的只是特定脉宽下的吸收功率峰值，而实际电路中的脉冲宽度是变化不定，心里要有个数，对宽脉冲要降额应用；

2）对于小电流负载电路的保护，要有意识地增加限流电阻；

3）要注意TVS二极管的稳态平均功率是否在安全范围之中；

4）要考虑温度变化，正常而言，瞬态抑制二极管在-55°C到150°C之间工作，电路中温度比较高的情况下要降额应用；

5）TVS瞬态抑制二极管的引线长短，要与被保护线路相对。

6）针对数据接口或通信线路中的防护，要尽可能选取电容值比较小的TVS二极管。

7）直流保护电路大多选单向TVS管，交流保护电路大多选双向TVS管、多路保护电路选TVS阵列器件，大功率保护电路选专用保护模块。

8）在使用TVS管过程中，考虑到TVS的离散性，尽量减少串/并数量。

六、TVS二极管典型应用

TVS二极管由于具有极快的响应速度，低钳位电压，精准电压等优点，因而应用于对保护器件要求比较高的场合领域，汽车电子、家、工业控制、照明，通信、医疗等行业，如DC电源线，RS485接口，通信电源，I/O口等。

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直流工作电压24V，最大允许安全电压32V（峰值）

【选择】：
1、先从工作电压24V选取最大反向工作电压V（RWM）为27V，则击穿电压V（BR）≈V（RWM）/0.85=31.8V；
【注：按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把V（BR）分为5％和10％两种。对于5％的V（BR）来说，V（RWM ）=0.85V（BR）；对于10％的V（BR）来说，V(RWM)=0.81V(BR)。】
2、从击穿电压值选取最大钳位电压VC（MAX）=1.30×V（BR）=41.3V，取VC=42V。
【注：VC与VBR之比称为钳位因子，一般在1.2~1.4之间。】
查手册得到P6KE33A，关断电压（Reverse Stand off Voltage）VR=28.20V [即V（RWM）]，击穿电压V（BR）=31.4~34.70V，最大钳位电压VC=45.7V，P(PR)=600W。（P6KE33CA参数同样）。

【结论】：固态继电器控制端最高电压是32V，但不是击穿电压，V（BR）=31.4~34.70V，也可以有效保护固态继电器，所以选择P6KE33A可以满足上述要求。用P6KE30A、P6KE30CA偏低。

【说明】：

P6KE33A为单向TVS，一般用于直流电路；P6KE33CA为双向TVS，适用于交流电路。

Vnormal正常工作电压 ≤ VRWM反向截止电压（最大反向工作电压）<VBR反相击穿电压<VC反相钳位电压<Vmax安全电压（极限工作电压）

Vnormal≤ VRWM， VRWM =0.85VBR，VBR(1.2~1.4)=VC，VC<Vmax

TVS管型号参数对照表

TVS管型号参数对照表 - 百度文库

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一、首先了解TVS管的参数，我们以littelfuse的5.0SMDJ系列为例。

图1

图2

最大峰值脉冲功率 Maximum Peak Pulse Power
Pppm峰值脉冲功率为ESD器件上瞬间通过的最大功率值，由最大钳位电压Vc和此时脉冲峰值电流Ipp决定的。
由上图可以看到5.0SMDJ系列的最大脉冲峰值功率为5000W。还可以看出该系列下的每个型号的Vc*Ipp基本为5000W。且Vc越大承受，Ipp越小。
最大脉冲峰值电流Ipp
TVS可以承受的最大脉冲峰值电流。5.0SMDJ13A最大脉冲电流为233A。
最大钳位电压Vc（残压）
当持续时间为 20mS 的脉冲峰值电流 Ipp流过 TVS 时，在其两端出现的最大峰值电压为 Vc。也称最大防护电压。
5.0SMDJ系列不同型号的Vc不一样，5.0SMDJ13A的最大防护电压为21.5V。
最大反向漏电流Ir
TVS最大反向漏电流，可以看出5.0SMDJ13A最大反向漏电流为500uA
最大反向工作电压Vrwm或Vr。
当最大反向漏电流Ir流过TVS时，TVS两端电压为最大反向工作电压。5.0SMDJ13A最大反向工作电压为13V。
测试电流It
测试电流It决定了TVS的反向击穿电压Vbr。
反向击穿电压Vbr
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，即从此点开始器件进入雪崩击穿。
结电容Cj
在防护高速信号的时候，需要考虑结电容的影响。

二、TVS管选型及应用
1、TVS是用来防护浪涌电流的，如果知道要防护的最大电流Ipp最好。首先确定TVS的Ipp。
2、再其次确定待防护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应计算出最大值，即用有效值*1.414。
3、根据2中已知工作电压，选择TVS的Vrwm，要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。
4、所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。
5、其中2-4步可以先于1，如果不知Ipp，可以根据信号的功率确定Ipp。
6、单极性还是双极性-常常会出现这样的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那麽单向TVS就足够了。TVS操作方式如下：正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。
这个时候需要参考TVS的正向导通峰值电流，Ifsm。5.0SMDJ系列的最大正向导通电流为300A。
三、浪涌波形10/1000us和8/20us。
10/1000us和8/20us为两种不同的浪涌测试波形，两种波形能量不一样。
10/1000us为持续时间1000us，上升沿时间为10us。
8/20us为持续时间20us，上升沿时间为8us。
由图2可以看出该TVS的最大功率为5000W,是在浪涌10/1000us的波形能量下测试的。Ipp是基于10/1000波形能量下得到的结果。
当浪涌波形为8/20us时，相对应的参数将会变大。

由图可以看到当为1000us波形时，可以承受的最大功率为5KW。
当测试波形为20us时，可以承受的最大功率为20KW。则如果Vc不变，可以承受的最大峰值电流将变大Ipp变为原来的4倍。20/5=4