【电子基础知识】TVS 瞬变电压抑制二极管 浅析
【电子基础知识】TVS 瞬变电压抑制二极管 浅析1.TVS管介绍
瞬变电压抑制二极管也被称为TVS管，英文名Transient Voltage Suppression，从TVS的中文名可以看出，TVS管对电压的响应速度比较快，而且能够抑制电压的变化，且属于二极管中的一种器件。因此，TVS管会被用在电压钳位的场合。瞬态电压抑制器的工作类似于普通的稳压管，是钳位型的干扰吸收器。其应用是与被保护设备并联使用，瞬态电压抑制器具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力，瞬态电压抑制器可用于保护设备或电路免受静电，电感性负载切换时产生的瞬变电压以及感应所产生的过电压。TVS管的工作原理：TVS管和被保护电路并联，当电压超过TVS管的钳位电压时，TVS管立马开始工作导通，将大部分电流通过自身低阻抗分流到地上，且此时TVS管两端的电压被钳位在某一个固定的值，以至于不会因为过压而损坏后级被保护的电路，当过电压消失后，TVS管由钳位工作状态变为不工作的状态，此时TVS管不会动作，电路恢复正常。结合器件参数，可以表述为：在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压上升到击穿电压而被击穿，随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流。同时在其两端的电压被钳位到预定的最大钳位电压以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲干扰，保护电路的过程。整个过程工作原理示意图如下：TVS管器件有直插型封装，贴片，单向，双向，具体如下图所示：从上面的实物外形可以看出，TVS管的封装和二极管的封装基本一致，也正好说明了TVS管是属于二极管中的一种类型。既然TVS管是属于二极管，那么TVS管的伏安特性曲线肯定和二极管有相似的地方。TVS transient voltage suppressor 是基于半导体硅材料，通过功率半导体工艺加工完成的，能够起到瞬态电压防护的一种半导体器件常规的TVS处理的电压范围从5v~550V，电流从几A~几百A。（10/1000us）不等。TVS是干精细活的器件，主要应用于ESD，浪涌二次侧的防护。TVS管内部的结构如下图所示：
2. TVS管伏安特性曲线
由于TVS管有单向和双向之分，单向可以看成是在双向的基础上增加一个二极管，因此伏安特性曲线以分析双向为主。从下面的双向TVS管伏安特性曲线可以看出，两边是对称的，在分析的时候，只需要关注一边的特性即可。根据TVS管的伏安特性曲线可以知 ，当电压没有超过某个值是VRWM， 此时流过TVS管的电流很小，当电压超过VC时，此时流过TVS管的电压基本不变，而流过的电流瞬间增大，因此可以起到电压钳位的作用。在下面的小节中将对TVS管伏安特性曲线上的参数进行详细的说明。
3. TVS管关键参数
下面是君耀电子的P6SMB型的TVS管器件参数下面是音特电子SMF型TVS管的规格书从上面两份规格书可以看出，TVS管几个关键的参数分别为：
（1) Reverse Stand-off Voltage VRWM(V)
这个参数是TVS管的可承受的反向电压，一般是写成VRWM，解释为Peak Reverse Working Voltage，反向工作电压，最大工作电压，截止电压等等。也就是当施加在TVS管两端的电压，不会引起TVS管工作，这个电压是直流电压或者交流电压峰值，在VRWM电压下，TVS管认为是不导通的。TVS的最大额定直流工作电压参数，也可被认为是所保护电路的工作电压。
（2） Reverse Leakage @RWMIR(uA)
IR被称为漏电流，待机电流。在伏安曲线上可以看到，这个IR对应的电压是Vrwm，也就是IR所测试到的条件，此时TVS管工作在截止状态。IR是在最高不工作电压下测到的电流，如果加在TVS管两端的电压降低， 此漏电流会减小，同时温度也会对其产生影响。VRWM和IR的测试方法如下图所示在君耀电子和手册中有提到，当WRMM<10V时，对于同功率和同电压的TVS，双向TVS管的漏电流是单向的2倍，因此在做低功耗设备中，如果对漏电流要求比较高，单向的漏电流会更小。
（3）Breakdown VoltageMIN@IT MAX@IT VBR(V)
VBR被称为击穿电压，击穿电压是指在I-V曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或者接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。TVS在此阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。从规格书上可以看出，对于7V以下的TVS管，君耀电子和音特电子所给的测试电流均为10mA，对于7V以上的TVS管，所给的测试电流为1mA。因此在进行测试击穿电压时，IT电流并不是固定的，目前从数据手册可以看出存在1mA和10mA的差异。其原因是低压的TVS漏电流较大，因此测试的电路也要更大一点。同时，在对VBR进行描述时，存在最小和最大的差异，说明TVS管的击穿电压存在一定的偏差，偏差值大概在±5%左右，测量时，VBR落在min和max之间视为合格品。测试VBR的电路图如下图所示：
（4）Maximum Clamping Voltage @IPP Vc(V)
Vc是TVS管比较重要的一个参数，最大钳位电压，这个电压是指在TVS管两端施加规定的IPP脉冲电流时，在TVS管两端测得的峰值电压。当TVS管承受瞬态高能量冲击时，管子中流过大电流峰值为IPP，端电压VBR上升到VC值就不再上升了，从而实现了保护作用。如果将TVS放在电路中进行保护，那么钳位电压不能超过后级正常工作电压，否则即使TVS管动作了， 后级还是因为钳位的电压太高，而无法对后级电路起到作用。因此Vc经常作为选型的一个重要参数。
在TVS管的曲线上可以看到，在较大范围内，电流存在明显的变化，从IT到IPP，但是VC电压变化并不大，正是这部分的特性才让TVS管抑制电压的作用。只有VC变化很小，才能起到钳位电压的作用。（5）Peak pulse current IPP(A)
峰值脉冲电流，是指给定脉冲波形的峰值，代表TVS允许流过的最大浪涌电流。IPP越大，器件的结电容越大，这个参数反映了TVS的浪涌承受能力。在对TVS管进行测试时，一般选用10/100us电流波形，也就是IPP是对应波形的电流峰值。施加的IPP波形如下图所示：从规格书中可以看出，TVS管的截止电压越高，IPP的值越小。TVS管测试IPP和VC的电路如下图所示。根据规格书可知，IPP和VC是一对相关联的参数，施加脉冲电流的峰值得到VC。如果两个同型号的器件， IPP一样，那么VC越小，证明其钳位特性越好。如果同型号的器件，IPP越大，证明耐冲击电流越强。
（6） TestcurrentIT(mA)
测试电流，在该电流下测试TVS管的击穿电压。TVS管参数总结：从上面的六个参数可以看出，包含3个电压和3个电流，其中对应关系如下：可以发现关键电流单位从uA到A，电压都是V
电压VRWM/VVBR/VVC/V
电流IR/uAIT/mAIpp/A
含义截止电压—漏电流击穿电压—测试电流钳位电压—脉冲电流
（7） 结电容
TVS管存在结电容，参数的大小由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHZ频率下测得的。结电容的大小与TVS电流承受能力成正比，结电容太大将使信号衰减。
4 TVS管选型
TVS管选型可以按照下面的步骤进行。
第一步：根据保护电路工作电压，确定器件反向关断电压；
第二步：明确防护电路的最大工作电压VRWM，TVS管的方向关断电压VRWM与最大工作电压关系如下：直流供电：VRWM>V工作；交流供电：VRWM>V工作*1.414；最大工作电压V工作需要按电源口特性测试要求的最大值来选择。考虑到TVS的VRWM±有10%的波动，如果是15V，也不能选18V，必须选20V或者24V。
第三步：击穿电压和V工作电压之间的关系可借鉴经验公式VBRmin>1.2Um，或者VRWM>1.1Um 。其中Um为电路的工作电压峰值，直流时Um=Udc，交流时Um>1.414Uac
第四步：根据防护器件需求，确定TVS管钳位电压和功率参数
TVS管的最大钳位电压在选择时一般有下面的公式可以参考VCMAX>(1.5~2)*VRWM。反相关断电压和通流量IPP确定后，TVS管需要满足最小峰值功率Pw>VCMAX*IPP=(1.5~2)*VRWM*IPP。如果需要保留功率较大的降额，在满足防护要求的情况下增加TVS管器件功率值，以达到更大的防护性能，对于不同的浪涌电流波形，需要做TVS管的等效功率换算。TVS管作为第二级保护时，一般使用500~600W的功率就可以满足要求，而且Vc最大钳位电压要不大于被保护电路所承受的最大浪涌电压。
第五步：根据防护电路工作频率确定TVS管结电容
根据防护电路工作频率确定TVS管结电容信号接口考虑。防护电路的工作和能加在线路上的对地电容有关系，既要考虑到信号的防护需求，也要考虑到防护器件会改变信号上升沿的时间，进而影响时序。一般来讲对于信号接口线路的频率与结电容可以参考下表
序号工作频率范围结电容
1<10KHz<1000pF
210K~100K<300pF
3100K~1M<100pF
41M~10M<35pF
510M~100M<12pF
6100M~1000M3pF
以上信号线传输速率与节电容关系为一般推荐值，具体大小和实际应用与单板信号速率，信号质量要求，传输距离等相关，在应用过程中需要实测波形数据来最终确定，同时需要考虑多节点应用结电容对信号功能影响的提示。
5.TVS管选型注意事项
[*]反向关断电压应该大于等于保护电路最大工作电压。VRWM>V工作
[*]TVS管的最大箝位电压一般为击穿电压的1.4倍左右，在电路设计中需要了解器件最大箝位电压小于后级保护电路的最高承受电压。
[*]对于小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻或者串联二极管，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，就有可能选用峰值功率较小的TVS管，峰值功率小的TVS管结电容小，可以实现对小电流负载线路进行保护。（面积小，结电容小）
[*]TVS管用于信号口静电防护设计时，在满足功能要求的情况下，针对TVS管功率无要求，基本上所有TVS管都可以满足静电抗干扰，最高等级空气放电15K，接触8K，测试要求。
[*]在高速信号的接口采用TVS管进行防护设计时，需要注意TVS管结电容的累积效应，影响电路的正常通讯和数据传输。
[*]对于电源电路上应用的TVS管的选型，除了要注意通流量需要有一定的余量设计之外，还要考虑电源电路，平时正常工作时的电压波动（直流存在±20%的波形，交流存在1.5~2倍的波动）可能会导致TVS管路动作，因此在选型时反向关断电压的选择需要大于电路的最大波动电压。24V选36V
[*]由于TVS管通流能量有限，因此TVS管一般情况下不单独用于电源口的浪涌防护设计。
[*]如果TVS管接地端应用在需要打绝缘耐压机壳地PGND上，需要满足结缘耐压500V AC的要求。
6.TVS管防护电路
TVS 由于具有响应速度快，钳位电压低，电压精准等优点，因而应用于对保护器件要求较高的场合，如汽车电子、工业控制、照明，通信等行业，如 DC 电源线，RS485 接口，通信电源，I/O 口等。下面是一些典型应用案例。
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