[技術(shù)淺談 TechTalk] TVS簡(jiǎn)介

PN結(jié)二極管具有正向?qū)?，反向關(guān)斷的特性，通過(guò)不同的材料、摻雜、外延以及工藝的改進(jìn)使其廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè)功率變換與電路保護(hù)，TVS二極管具有響應(yīng)速度快、漏電流小、鉗位電壓穩(wěn)以及無(wú)壽命衰減的特性，從小到信號(hào)線靜電防護(hù)，大到電力系統(tǒng)抗雷擊浪涌，TVS都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本章對(duì)TVS工作機(jī)理與核心參數(shù)展開(kāi)分析，供產(chǎn)品選型參考。

TVS二極管工作原理

TVS二極管，既瞬態(tài)抑制二極管，又叫雪崩擊穿二極管，采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè)PN結(jié)或多個(gè)PN結(jié)集成的器件。TVS二極管有單向與雙向之分，單向TVS二極管一般應(yīng)用于直流供電電路，雙向TVS二極管應(yīng)用于電壓交變的 電路。當(dāng)應(yīng)用于直流電路時(shí)，單向TVS二極管反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS二極管處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過(guò)電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當(dāng)異常過(guò)電壓消失后，TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

TVS二極管在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)增大PN結(jié)面積，使其瞬態(tài)通流能力大大提高，其摻雜濃度與耐壓成反比與浪涌電流成正比，低摻雜使得節(jié)點(diǎn)獲得更高耐壓，相應(yīng)的通流能力變?nèi)?，通過(guò)擴(kuò)大晶圓尺寸的方式來(lái)能解決高壓與大通流不可兼容的問(wèn)題，同樣的也會(huì)帶來(lái)成本的增加。

在實(shí)際應(yīng)用中如果無(wú)需單向TVS二極管正向?qū)▉?lái)實(shí)現(xiàn)一定程度的續(xù)流，那么采用雙向TVS二極管可以達(dá)到同樣保護(hù)效果，同時(shí)還具有防止直流電壓反接而引起的TVS短路燒毀現(xiàn)象。

齊納擊穿與雪崩擊穿

TVS二極管與Zener二極管同樣作為過(guò)壓保護(hù)， TVS著重浪涌電壓的鉗位保護(hù)，具有抗大電流沖擊的能力；Zener管著重于穩(wěn)壓效果，具有浪涌電流小，保護(hù)電壓穩(wěn)的特點(diǎn)，兩者在原理與保護(hù)特性有所區(qū)別，同時(shí)在個(gè)別應(yīng)用領(lǐng)域又能一定程度的互換。

齊納擊穿

當(dāng)反向電壓增大到一定值時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)就能建立起很強(qiáng)的電場(chǎng)，它能夠直接將束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子拉出來(lái)，使勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生大量的電子一空穴對(duì)，形成較大的反向電流，產(chǎn)生擊穿，把這種在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，使勢(shì)壘區(qū)中原子直接激發(fā)的擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。

齊納擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。這是因?yàn)閾诫s濃度較高的PN結(jié)，空間電荷區(qū)的電荷密度很大，寬度較窄，只要加不大的反向電壓，就能建立起很強(qiáng)的電場(chǎng)，發(fā)生齊納擊穿。

雪崩擊穿

隨著反向電壓的提高，空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，通過(guò)勢(shì)壘區(qū)的載流子獲得的能量也隨之增加。當(dāng)反向電壓接近擊穿電壓Vbr時(shí)，這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內(nèi)的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì)。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會(huì)在電場(chǎng)的作用下，重新獲得能量，碰撞其它的中性原子使之電離，再產(chǎn)生更多的電子一空穴對(duì)。這種連鎖反應(yīng)繼續(xù)下去，使空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產(chǎn)生擊穿。所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿。

雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結(jié)中。這是因?yàn)閾诫s濃度較低的PN結(jié)，空間電荷區(qū)寬度較寬，發(fā)生碰撞電離的機(jī)會(huì)較多。

TVS二極管主要參數(shù):

TVS作為浪涌保護(hù)器件，熟練掌握其關(guān)鍵參數(shù)能幫助產(chǎn)品選型與設(shè)計(jì)。這里以SMC(DO-214AB)封裝大功率8kW產(chǎn)品8.0SMDJ系列為例展開(kāi)介紹。

耗散功率，正向峰值電流，正向?qū)▔航?，工作溫度以及熱阻等參?shù)可以在應(yīng)用中作為參考，正向?qū)ㄌ匦詢H限于單向TVS，在一定程度上可以作為小電流泄放回路。

峰值脈沖功率Pppm

TVS二極管通常是10/1000us波形下達(dá)到的瞬態(tài)峰值功率，是最大脈沖電流峰值與最大鉗位電壓的乘積，鑒于實(shí)際應(yīng)用會(huì)碰到各種不同脈沖寬度的浪涌沖擊，規(guī)格書(shū)同步給出了峰值脈沖功率與脈沖寬度曲線作為設(shè)計(jì)參考，從曲線可以看出，隨著脈沖時(shí)間縮短，瞬時(shí)功率得到提升，一只典型的TVS在脈沖8/20us下的脈沖功率是10/1000us波形下的5~10倍。

TVS二極管雪崩效應(yīng)具有正溫度系數(shù)特性，即溫度越高其漏電流與鉗位電壓越高，同時(shí)因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)溫度的限制，使得TVS二極管脈沖峰值功率在高溫下需要考慮降額。

截止電壓Vr

TVS 的截止電壓，可連續(xù)施加而不引起 TVS損壞的最高工作峰值電壓。TVS符合二極管的反向耐壓特性，電壓越高漏電流越大，因此截止電壓通常是定義在uA級(jí)電流下，此電流幅值并聯(lián)于電路當(dāng)中不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下不會(huì)因?yàn)槁╇娏鬟^(guò)大導(dǎo)致過(guò)熱而失效。因此在產(chǎn)品選型時(shí)，電路的最高工作電壓必須小于Vr，否則將會(huì)引起TVS動(dòng)作導(dǎo)致電路異常。

漏電流Ir

漏電流，也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò) TVS 反向的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于一些信號(hào)端口，漏電流會(huì)為控制或通訊線路的電壓信號(hào)提供泄放通道，所以TVS的漏電流越小越好。

擊穿電壓Vbr/測(cè)試漏電流It

擊穿電壓是TVS二極管反向截止與雪崩擊穿工作分界線，測(cè)試方式為在TVS兩端施加電壓，直到對(duì)應(yīng)的測(cè)試漏電流It為1mA或者10mA，此時(shí)測(cè)出的電壓為擊穿電壓。TVS二極管在生產(chǎn)時(shí)存在一致性偏差，通常選定誤差范圍為±5%，在誤差范圍以外的產(chǎn)品在產(chǎn)品出廠前會(huì)被判定為不良品而篩除。

鉗位電壓Vc/峰值脈沖電流Ipp

最大鉗位電壓與峰值脈沖電流構(gòu)成了TVS二極管浪涌保護(hù)能力，即前面講到的峰值脈沖功率Pppm。TVS 一般選用給定 10/1000μs 峰值脈沖電流波形時(shí)， TVS 兩端測(cè)得的峰值電壓。對(duì)于相同規(guī)格TVS，在相同 峰值脈沖電流下的鉗位電壓越小，說(shuō)明 TVS 的鉗位保護(hù)特性越好。

結(jié)電容Cj

TVS二極管的結(jié)電容與擊穿電壓成反比，擊穿電壓越高，結(jié)電容越小。相比于單向TVS，雙向TVS因自身等效雙二極管反向串聯(lián)的工藝擁有更低的結(jié)電容。

眾所周知電容具有隔直通交的效果，通過(guò)RC構(gòu)成時(shí)間常數(shù)，因此對(duì)于高頻信號(hào)就需要通過(guò)減小等效電阻以及結(jié)電容來(lái)減少信號(hào)衰減。TVS結(jié)電容較大通常用于頻率較低的浪涌保護(hù)，通過(guò)減小芯片尺寸以及串聯(lián)的方式可以減小TVS結(jié)電容，但是也帶來(lái)了浪涌能力減弱的情況。如下SP3401-02UTG通過(guò)整流二極管的搭配與TVS構(gòu)成串聯(lián)回路，實(shí)現(xiàn)了不犧牲浪涌能力Ipp 10A下的低結(jié)電容Cj 0.35pF。

結(jié)電容固然對(duì)于信號(hào)有所影響，但是好的設(shè)計(jì)會(huì)適當(dāng)選擇，而不是一味追求低容值，如下來(lái)自Littelfuse結(jié)電容推薦供參考。

浪涌沖擊保護(hù)器件從材料可以分為半導(dǎo)體與非半導(dǎo)體，其中TVS與固體放電管為半導(dǎo)體，壓敏與氣體放電管為非半導(dǎo)體，非半導(dǎo)體通過(guò)物理變化起到的保護(hù)作用都存在壽命衰減的概念；從保護(hù)機(jī)理可以分為鉗位型與導(dǎo)通型，鉗位型具有殘壓高、吸收能量大的特點(diǎn)，導(dǎo)通型具有殘壓低、轉(zhuǎn)移能量大的特點(diǎn)，壓敏與TVS為鉗位型，氣體放電管與固體放電管為導(dǎo)通型，導(dǎo)通型只有在電壓過(guò)零時(shí)才會(huì)關(guān)斷，因此適用于交流回路，如果用在直流電上，需要與鉗位型器件搭配，或者有個(gè)切斷開(kāi)關(guān)。

通常產(chǎn)品類別的電氣特性有所區(qū)別，因此在產(chǎn)品選型時(shí)要根據(jù)實(shí)際保護(hù)機(jī)制、可靠性以及成本綜合考慮。在信號(hào)端口靜電防護(hù)里面也會(huì)涉及到不同材料，TVS與聚合物ESD是比較常用的，聚合物與氣體放電管相似，采用尖端放電原理，導(dǎo)電材料換為聚合物，聚合物ESD具有極低結(jié)電容的特點(diǎn)，尤其適用于高頻信號(hào)端口防護(hù)，當(dāng)然現(xiàn)在的TVS通過(guò)工藝改進(jìn)結(jié)電容也越做越低。

來(lái)源：Littelfuse

作者：Rambo Liu