TVS二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，    它具有極快的響應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。

第一部分  特性

定義

TVS二極管，又稱瞬態(tài)抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€(gè)瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。

特點(diǎn)

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。

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合。對(duì)于高密度安裝的場合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。

第二部分  介紹與應(yīng)用

便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)十分重要，而TVS二極管是一種十分有效的保護(hù)器件，與其它器件相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的保護(hù)對(duì)象來選用器件，因?yàn)椴煌亩丝诳赡苁艿降撵o電沖擊有所不同，不同器件要求的保護(hù)程度也有不同。要注意相應(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個(gè)生產(chǎn)商的不同設(shè)計(jì)，同時(shí)還要進(jìn)行合理的PCB布局。

在這里介紹下便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)中如何應(yīng)用TVS二極管器件。 

便攜式設(shè)備如筆記本電腦、手機(jī)、PDA、MP3播放器等，由于頻繁與人體接觸極易受到靜電放電(ESD)的沖擊，如果沒有選擇合適的保護(hù)器件，可能會(huì)造成機(jī)器性能不穩(wěn)定，或者損壞。 

一般情況下，對(duì)此類設(shè)備暴露在外面可能與人體接觸的端口都要求進(jìn)行防靜電保護(hù)，如鍵盤、電源接口、數(shù)據(jù)口、I/O口等等。現(xiàn)在比較通用的ESD標(biāo)準(zhǔn)是IEC61000-4-2，應(yīng)用人體靜電模式，測試電壓的范圍為2kV～15kV(空氣放電)，峰值電流最高為20A/ns，整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間不超過60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過幾百個(gè)微焦?fàn)枺珔s足以損壞敏感元器件。

便攜式設(shè)備所采用的IC器件大多是高集成度、小體積產(chǎn)品，精密的加工工藝使硅晶氧化層非常薄，因而更易擊穿，有的在20V左右就會(huì)受到損傷。傳統(tǒng)的保護(hù)方法已不再普遍適用，有的甚至還會(huì)造成對(duì)設(shè)備性能的干擾。

TVS二極管的特點(diǎn) 

可用于便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)器件有很多，例如設(shè)計(jì)人員可用分立器件搭建保護(hù)回路，但由于便攜設(shè)備對(duì)于空間的限定以及避免回路自感，這種方法已逐漸被更加集成化的器件所替代。多層金屬氧化物器件、陶瓷電容還有二極管都可以有效地進(jìn)行防護(hù)，它們的特性及表現(xiàn)各有不同，TVS二極管在此類應(yīng)用中的獨(dú)特表現(xiàn)為其贏得了越來越大的市場。 

TVS二極管最顯著的特點(diǎn)一是反應(yīng)迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒有對(duì)線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對(duì)TVS二極管設(shè)計(jì)的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現(xiàn)。

TVS二極管的優(yōu)勢 

TVS與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使TVS具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 

VS與陶瓷電容：很多設(shè)計(jì)人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護(hù)，不但便宜而且設(shè)計(jì)簡便，但這類器件對(duì)高壓的承受力卻比較弱。5kV的沖擊會(huì)造成約10%陶瓷電容失效，到10kV時(shí)，損壞率達(dá)到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設(shè)備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn))，可見使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。

TVS與MLV：多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止因子，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對(duì)于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因?yàn)檫^高的電容會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級(jí)。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI和RFI過濾保護(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。 

另一個(gè)不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個(gè)芯片上，現(xiàn)有很多將EMI過濾和RFI防護(hù)等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設(shè)計(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。

TVS器件的選用

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。

(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。

區(qū)分TVS二極管的單雙向

直流保護(hù)一般選用單向TVS管，交流保護(hù)一般選用雙向TVS管，多路保護(hù)選用TVS陣列器件，大功率保護(hù)選用TVS專用保護(hù)模塊。但是相比其他的電路保護(hù)器件直接的選型應(yīng)用，TVS二極管在測試前還是先區(qū)分其單雙向。雖然最終的作用是一樣的，但是單雙向TVS二極管的適用范圍還是有差別的，雙向TVS管適用于交流電路，單向TVS管一般用于直流電路。

可以直接用萬用表測

　　<1>測量二極管的檔位，單向一邊通，雙向兩邊都有電壓;

　　<2>測直流，雙向?qū)ΨQ，單向只有反向是雪崩擊穿特性，一般1mA下測。

　　所有TVS管放大后會(huì)有根陰極線，它是用來區(qū)分二極管的正負(fù)極的，與單雙向無關(guān)。

二、單/雙向使用上的不同點(diǎn)

　　1.單向用在直流。雙向用在交流;單向tvs管保護(hù)器件僅能對(duì)正脈沖或者負(fù)脈沖進(jìn)行防護(hù)，而雙向tvs管保護(hù)器件一端接要保護(hù)的線路，一端接地，無論來自反向還是來自正向的ESD脈沖均被釋放，更有效地保護(hù)了IC。

　　2. 單向TVS管的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點(diǎn)處近似“直角”的硬擊穿為典型的PN結(jié)雪崩。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;雙向TVS管的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≤VBR(正)/VBR (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。

　　3.極間電容Cj

　　單向的比雙向的大，以LRC的為例，單向的電容C有65PF，雙向的只有15PF;

　　4.USB數(shù)據(jù)線上全部用的雙向;

　　5.電流曲線不同。單方向的TVS管的電路符號(hào)與普通的穩(wěn)壓管相同，其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。雙向二極管正反向都是典型的PN結(jié)雪崩器件。

　　三、雙向TVS管可以當(dāng)成單向來用么?

　　從市場上看TVS管雙向的應(yīng)用范圍更廣，從產(chǎn)品單價(jià)上看基本沒有差別，關(guān)鍵參數(shù)電容C越低越好，這就導(dǎo)致電子市場和小型工廠普遍采用雙向的TVS管。但通過以上的分析比對(duì)，單向和雙向有諸多的不同，很多地方可以用雙向替雙向，但具體用哪種最主要的還是看工程的電路設(shè)計(jì)，有些只能用單向的TVS。

TVS管器件的主要參數(shù)

(1)最小擊穿電壓VBR

　　當(dāng)TVS流過規(guī)定的電流時(shí)，TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，在此區(qū)域，TVS管呈低阻抗的通路。在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓，TVS管是不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿的。

(2)額定反向關(guān)斷電壓VWM

　　VWM是TVS管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護(hù)電路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì)在TVS管工作以前使整個(gè)電路面對(duì)過壓威脅。按TVS管的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散度，可把VBR分為5％和10％兩種，對(duì)于5％的VBR來說，VWM=0.85VBR腿；而對(duì)于10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脈沖電流IPP

　　IPP是TVS管在反向狀態(tài)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。

(4)箝位電壓Vc

　　當(dāng)脈沖峰值電流Ipp流過TVS管時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS管的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之比稱為箝位因子(系數(shù))，其值一般在1.2～1.4之間。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)使Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓，否則被保護(hù)器件將面臨被損壞的可能。

(5)最大峰值脈沖功耗PM

　　PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積，也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS管能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，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、脈沖持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS管所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重復(fù)施加的。

(6)電容量C

　　TVS管的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來決定的，它是在1 MHz特定頻率下測得的。C的大小與TVS管的電流承受能力成正比，C太大，將使信號(hào)衰減。因此，電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS管的重要參數(shù)。

(7)漏電流IR

　　IR是最大反向工作電壓施加到TVS管上時(shí)，TVS管的漏電流。當(dāng)TVS管用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流IR一個(gè)重要參數(shù)。

穩(wěn)壓管和TVS管的工作原理

　　穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二極管)，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件，在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，因?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。
　　TVS(Transient Voltage Suppresser瞬態(tài)電壓抑制器)是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因?yàn)槿绱耍琓VS可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。
　　TVS管和穩(wěn)壓管一樣，也是反向應(yīng)用的。其中VR稱為最大轉(zhuǎn)折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓。VB是擊穿電壓，其對(duì)應(yīng)的反向電流IT一般取值為1 mA。VC是最大箝位電壓，當(dāng)TVS管中流過的峰值電流為IPP的大電流時(shí)，管子兩端電壓就不再上升了。因此TVS管能夠始終把被保護(hù)的器件或設(shè)備的端口電壓限制在VB～VC的有效區(qū)內(nèi)。與穩(wěn)壓管不同的是，IPP的數(shù)值可達(dá)數(shù)百安培，而箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1×10-12s。TVS的最大允許脈沖功率為PM=VCIPP，且在給定最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。
　　
穩(wěn)壓管和TVS管的異同

　　電子系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)中，電壓及電流的瞬態(tài)干擾會(huì)經(jīng)常造成電子設(shè)備的損壞，瞬態(tài)干擾的顯著特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大，所以破壞性很大。為了防止這種破壞，TVS管得到了廣泛的應(yīng)用，TVS(Transient Voltage Suppressor)是一種在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一高效能的電路保護(hù)器件，其電路符號(hào)和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無異，當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度(最高達(dá)1*10-12秒)使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。我們?cè)谝恍┚茈娮釉O(shè)備中經(jīng)常可以看到TVS二極管作為ESD防護(hù)的主要手段之一。
　　作為二者的共同點(diǎn)，它們都可以用來穩(wěn)壓，并且都工作在反向截止?fàn)顟B(tài)下，其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。但是TVS管齊納擊穿電流更小，大于10V的穩(wěn)壓只有1mA，相對(duì)來說齊納二極管擊穿電流要大不少，但是齊納二極管穩(wěn)壓精度可以做的比較高。而且TVS管強(qiáng)調(diào)的是瞬態(tài)響應(yīng)，所以其時(shí)間參數(shù)就很重要了，也就是說穩(wěn)壓二極管的響應(yīng)時(shí)間通常要比TVS管的慢。同時(shí)TVS管的功率較大，而穩(wěn)壓管的功率較小。
　　其次，從概念上理解，TVS管主要是防止瞬間大電壓的影響，最終可以達(dá)到穩(wěn)壓的目的，這與穩(wěn)壓管的作用是有區(qū)別的。

附深圳市賽特微電子TVS二極管產(chǎn)品圖