高效能保護(hù)器件-TVS的特性及應(yīng)用

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，使兩極間的電壓箝位于一個(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。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、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、電源、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。

具體有以下三大特點(diǎn)：1、 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)因瞬間的肪沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

2、 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)至損壞。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）。

3、 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。

一、 TVS的特性及主要參數(shù)

1、TVS的特性曲線

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。

2、TVS的特性參數(shù)

①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。

②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和平共處±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。

③最大箝拉電壓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。

④電容量C

電容量C 是TVS雪崩結(jié)截面決定的、在特定的1MHZ頻率下測得的。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)。

⑤最大峰值脈沖功耗PM

PM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。

⑥箝位時(shí)間TC

TC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。

二、TVS二極管的分類

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。

三、TVS的選用技巧

1、 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。

2、 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。

3、 TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

4、 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。

5、 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。

6、 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。

7、 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。

8、 美國ProTek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系列

四、TVS與壓敏電阻的比較

目前，國內(nèi)不少需進(jìn)行浪涌保護(hù)的設(shè)備上使用的是壓敏電阻。壓敏電阻是一種金屬化物變阻器。TVS比壓敏電阻的特性優(yōu)越得多，具體特性參數(shù)的比較如下表所示。
------------------------------------------------------------------
關(guān)鍵參數(shù)或極限值|TVS|壓敏電阻
--------------------|-------------------------|-------------------
反應(yīng)速度| 10-12s| 5×10-8
--------------------|-------------------------|-------------------
有否老化現(xiàn)象| 否|有
--------------------|-------------------------|-------------------
最高使用溫度|175℃| 115℃
--------------------|-------------------------|-------------------
元件極性|單極性與雙極性 | 單極性
-------------------|-------------------------|--------------------
反向漏電流典型值|5μA|200μA
--------------------|-------------------------|----------------------
箝位因子（VC/VBR）|≤1.5|≥7~8
-------------------|-------------------------|----------------------
密封性質(zhì)| 密封不透氣| 透氣
--------------------|-------------------------|---------------------
價(jià)格| 較貴|便宜
---------------------------------------------|----------------