tvs管

瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor)簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，有的文獻(xiàn)上也為TVP、AJTVS、SAJTVS等。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

具體有以下三大特點(diǎn):

將TVS二極管加在信號(hào)及電源線上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源的浪涌電流及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈; 靜電放電效應(yīng)能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。利用TVS二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾(Crosstalk); 將TVS二極管放置在信號(hào)線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

TVS瞬變電壓抑制二極管的特性曲線:

單向TVS管特性曲線:

雙向TVS管特性曲線:

TVS的電路符號(hào)與普通穩(wěn)壓二極管相同。它的正向特性與普通二極管相同;反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。

在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過TVS的電流，由原來的反向漏電流ID上升到IR時(shí)，其兩極呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，TVS被擊穿。隨著峰值脈沖電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPP。在其兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下。爾后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)。這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的整個(gè)過程。

TVS瞬變電壓抑制二極管的特性參數(shù):

最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)這個(gè)反向電壓加入TVS的兩極間時(shí)，它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的雪崩電壓。25℃時(shí)，在這個(gè)電壓之前，TVS是不導(dǎo)通的。當(dāng)TVS 流過規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí)，加入TVS兩極間的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把TVS分為±5%VBR和±10% VBR兩種。對(duì)于±5%VBR來說，VWM=0.85VBR;對(duì)于±10% VBR來說，VWM=0.81 VBR。

最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流。IPP當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20微秒的脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí)，在其兩極間出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。它是串聯(lián)電阻上和因溫度系數(shù)兩者電壓上升的組合。VC 、IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。

電容量C 是TVS雪崩結(jié)截面決定的、在特定的1MHZ頻率下測(cè)得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C過大將使信號(hào)衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

最大峰值脈沖功耗PMPM是TVS能承受的最大峰值脈沖耗散功率。其規(guī)定的試驗(yàn)脈沖波形和各種TVS的PM值，請(qǐng)查閱有關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下，箝位電壓VC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(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%，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"，有可能使TVS損壞。

箝位時(shí)間TCTC是從零到最小擊穿電壓VBR的時(shí)間。對(duì)單極性TVS小于1×10-12秒;對(duì)雙極性TVS小于是1×10-11 秒。

TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性兩種，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專用型器件。如:各種交流電壓保護(hù)器、4~200mA電流環(huán)保器、數(shù)據(jù)線保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、電話機(jī)保護(hù)器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為:軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

TVS瞬變電壓抑制二極管的選用技巧(選用方法):

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。

TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)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。

TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

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。

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(gè)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℃到+175℃，大約線性下降50%雨擊穿電壓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(duì)其特性的影響。

中國 YINT公司提供的TVS二極管，有下列不同的功率選擇:

~500W:SA系列

~600W:P6KE、SMBJ系列

~1500W:1N5629~1N6389、1.5KE、LC、LCE系列

~5000W:5KP系列

~15000W:15KAP、15KP系

參考資料

抑制反向的用單向TVS,

有交流的用雙向TVS

TVS管由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、電容低、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、消費(fèi)類電子、電源、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域

。

TVS二極管與常見的穩(wěn)壓二極管的工作原理相似，如果高于標(biāo)志上的擊穿電壓，TVS二極管就會(huì)導(dǎo)通，與穩(wěn)壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，以10^-12S 量級(jí)速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，同時(shí)吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位于一個(gè)安全值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞。

一、 TVS器件的工作原理

瞬態(tài)(瞬變)電壓抑制二極管簡稱TVS器件，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。

TVS能承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦，其箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1ps(10^-12S)。

TVS允許的正向浪涌電流在T =25℃，T=10ms條件下，可達(dá)50~200A 。

雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平，雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。

1、單向TVS的V-I特性，單向TVS的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點(diǎn)近似"直角"為硬擊穿，為典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點(diǎn)到Vc值所對(duì)應(yīng)的曲線段表明，當(dāng)有瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，并保持在這一水平上。

2.雙向TVS的V-I特性，雙向TVS的V-I特性曲線如同兩只單向TVS"背靠背"組合，其正反兩個(gè)方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性，正反兩面擊穿電壓的對(duì)稱關(guān)系為:0.9≤V(BR)(正) /V(BR)(反) ≤1.1，一旦加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓Vc就會(huì)立刻被抑制掉，雙向TVS在交流回路應(yīng)用十分方便。

1. 擊穿電壓V(BR) 器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流I(BR) 下，測(cè)得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

2. 最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。IPP與最大箝位電壓Vc(MAX) 的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。 使用時(shí)應(yīng)正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護(hù)器件或線路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。 當(dāng)瞬時(shí)脈沖峰值電流出現(xiàn)時(shí)，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，箝位電壓亦下降，恢復(fù)到原來狀態(tài)。因此，TVS能抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護(hù)電子線路。

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(shí)間TR:電流從10%IPP開始達(dá)到90%IPP的時(shí)間。

半峰值電流時(shí)間TP:電流從零開始通過最大峰值后，下降到0.5IPP值的時(shí)間。

下面列出典型試驗(yàn)波形的TR/TP值:

A.EMP波:10ns /1000ns

B.閃電波:8μs /20μs

C.標(biāo)準(zhǔn)波:10μs /1000μs

3. 最大反向工作電壓VRWM(或變位電壓)器件反向工作時(shí)，在規(guī)定的IR下，器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM。通常VRWM =(0.8~0.9)V (BR) 。

在這個(gè)電壓下，器件的功率消耗很小。使用時(shí)，應(yīng)使VRWM 不低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓。

4.最大箝位電壓Vc(max ) 在脈沖峰值電流Ipp 作用下器件兩端的最大電壓值稱為最大箝位電壓。

使用時(shí)，應(yīng)使Vc(max )不高于被保護(hù)器件的最大允許安全電壓。

最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝為系數(shù)。

即:箝位系數(shù)=Vc(max )/V(BR) 一般箝位系數(shù)為1.3左右。 最大箝位電壓VC(max )的測(cè)試方法見4.4。

5.反向脈沖峰值功率PPR TVS的PPR取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓Vc(max )，除此以外，還和脈沖波形、脈沖時(shí)間及環(huán)境溫度有關(guān)。

當(dāng)脈沖時(shí)間Tp一定時(shí)，PPR =K1...·K2 ·Vc(max ) ·Ipp 式中K1為功率系數(shù)，K2為功率的溫度系數(shù)。

典型的脈沖持續(xù)時(shí)間tp為1MS，當(dāng)施加到瞬態(tài)電壓抑制二極管上的脈沖時(shí)間tp 比標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)間短時(shí)，其脈沖峰值功率將隨tp的縮短而增加。TVS的反向脈沖峰值功率PPR與經(jīng)受浪涌的脈沖波形有關(guān)，用功率系數(shù)K1表示，各種浪涌波形的K1值如表1所示。

E=∫i(t).V(t)dt

式中:

i(t)為脈沖電流波形，

V(t)為箝位電壓波形。

這個(gè)額定能量值在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)TVS是不可重復(fù)施加的。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，浪涌通常是重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個(gè)的脈沖能量比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(gè)的脈沖能量積累起來，在某些情況下，也會(huì)超過TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計(jì)必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時(shí)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。

6.電容CPP TVS的電容由硅片的面積和偏置電壓來決定，電容在零偏情況下，隨偏置電壓的增加，該電容值呈下降趨勢(shì)。電容的大小會(huì)影響TVS器件的響應(yīng)時(shí)間。

7.漏電流IR 當(dāng)最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí)，TVS管有一個(gè)漏電流IR，當(dāng)TVS用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流是一個(gè)重要的參數(shù)。

8.TVS器件分類:

按極性可分為:單極性和雙極性兩種;

按用途可分為:通用型和專用型;

按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為:軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。

軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可達(dá)400W、500W、600W、1500W和5000W。

其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝場(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。

在選用TVS時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要因素:

(1)若TVS有可能承受來自兩個(gè)方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用雙極性的，否則可選用單極性。

(2)所選用TVS的Vc值應(yīng)低于被保護(hù)元件的最高電壓。Vc是二極管在截止?fàn)顟B(tài)的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損壞的危險(xiǎn)。

(3)TVS在正常工作狀態(tài)下不要處于擊穿狀態(tài)，最好處于VR以下，應(yīng)綜合考慮VR和VC兩方面的要求來選擇適當(dāng)?shù)腡VS。

穩(wěn)壓管

(4)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，則可利用VCIpp來確定功率;如果無法確定IPP的大致范圍，則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下，箝位電壓VC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(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。 (5)TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。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，不然有可能損壞TVS。

(6)對(duì)于小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，一般不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。

(7)電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，這是在特定的1 MHz頻率下測(cè)得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號(hào)衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。對(duì)于數(shù)據(jù)/信號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容對(duì)電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號(hào)強(qiáng)度也大，因此，需要根據(jù)回路的特性來決定所選器件的電容范圍。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3 pF)，而對(duì)電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40pF。

(8)為了滿足IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8 KV(MB，接觸)和15 kV(BM,空氣)的ESD沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以按需要挑選器件。