高效能保護器件-TVS的特性及應用

瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor）簡(jiǎn)稱(chēng)TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件，有的文獻上也為T(mén)VP、AJTVS、SAJTVS等。當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秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預定值，有效地保護電子線(xiàn)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(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應用于計算機系統、通訊設備、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二極管加在信號及電源線(xiàn)上，能防止微處理器或單片機因瞬間的肪沖，如靜電放電效應、交流電源之浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪音所導致的失靈。

2、 靜電放電效應能釋放超過(guò)10000V、60A以上的脈沖，并能持續10ms；而一般的TTL器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì )導至損壞。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(xiàn)之間開(kāi)關(guān)所引起的干擾（Crosstalk）。

3、 將TVS二極管放置在信號線(xiàn)及接地間，能避免數據及控制總線(xiàn)受到不必要的噪音影響。

一、 TVS的特性及主要參數

1、TVS的特性曲線(xiàn)

TVS的電路符號與普通穩壓二極管相同。它的正向特性與普通二極管相同；反向特性為典型的PN結雪崩器件。

在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過(guò)TVS的電流，由原來(lái)的反向漏電流ID上升到IR時(shí)，其兩極呈現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(zhù)峰值脈沖電流的出現，流過(guò)TVS的電流達到峰值脈沖電流IPP。在其兩極的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓以下。爾后，隨著(zhù)脈沖電流按指數衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復到起始狀態(tài)。這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的整個(gè)過(guò)程。

2、TVS的特性參數

①最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續工作的直流或脈沖電壓，當這個(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(guò)它的電流應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是不導通的。當TVS 流過(guò)規定的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與標準值的離散程度，可把TVS分為±5%VBR和平共處±10% VBR兩種。對于±5%VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR；對于±10% VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.81 VBR。

③最大箝拉電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP

當持續時(shí)間為20微秒的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí)，在其兩極間出現的最大峰值電壓為VC。它是串聯(lián)電阻上和因溫度系數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(chēng)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(guò)大將使信號衰減。因此，C是數據接口電路選用TVS的重要參數。

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。其規定的試驗脈沖波形和各種TVS的PM值，請查閱有關(guān)產(chǎn)品手冊。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)脈沖是不重復的，器件規定的脈沖重復頻率（持續時(shí)間與間歇時(shí)間之比）為0.01%，如果電路內出現重復性脈沖，應考慮脈沖功率的“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。對單極性TVS小于1×10-12秒；對雙極性TVS小于是1×10-11 秒。

二、TVS二極管的分類(lèi)

TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性?xún)煞N，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(zhuān)用型器件。如：各種交流電壓保護器、4~200mA電流環(huán)保器、數據線(xiàn)保護器、同軸電纜保護器、電話(huà)機保護器等。若按封裝及內部結構可分為：軸向引線(xiàn)二極管、雙列直插TVS陣列（適用多線(xiàn)保護）、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

三、TVS的選用技巧

1、 確定被保護電路的最大直流或連續工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。

2、 TVS額定反向關(guān)斷VWM應大于或等于被保護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應小于被保護電路的損壞電壓。

4、 在規定的脈沖持續時(shí)間內，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內可能出現的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。

5、 對于數據接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

6、 根據用途選用TVS的極性及封裝結構。交流電路選用雙極性TVS較為合理；多線(xiàn)保護選用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結溫增加而下降，從+25℃到+175℃，大約線(xiàn)性下降50％雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。

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，國內不少需進(jìn)行浪涌保護的設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?xún)?yōu)越得多，具體特性參數的比較如下表所示。
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關(guān)鍵參數或極限值|TVS|壓敏電阻
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反應速度| 10-12s| 5×10-8
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有否老化現象| 否|有
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最高使用溫度|175℃| 115℃
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元件極性|單極性與雙極性 | 單極性
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反向漏電流典型值|5μA|200μA
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箝位因子（VC/VBR）|≤1.5|≥7~8
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密封性質(zhì)| 密封不透氣| 透氣
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價(jià)格| 較貴|便宜
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