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定義
TVS二極管，又稱(chēng)瞬態(tài)抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時(shí)間和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(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?，以吸收一個(gè)瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預定的數值上，從而保護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)脈沖功率可達上千瓦，其箝位響應時(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(lèi)：
按極性可分為：?jiǎn)螛O性和雙極性?xún)煞N；
按用途可分為：通用型和專(zhuān)用型；
按封裝和內部結構可分為：軸向引線(xiàn)二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。
軸向引線(xiàn)的產(chǎn)品峰值功率可達400W、500W、600W、1500W和5000W。
其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線(xiàn)上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝場(chǎng)合。對于高密度安裝的場(chǎng)合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。
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便攜式設備的ESD保護十分重要，而TVS二極管是一種十分有效的保護器件，與其它器件相比有其獨特的優(yōu)勢，但在應用時(shí)應當針對不同的保護對象來(lái)選用器件，因為不同的端口可能受到的靜電沖擊有所不同，不同器件要求的保護程度也有不同。要注意相應的參數鑒別以及各個(gè)生產(chǎn)商的不同設計，同時(shí)還要進(jìn)行合理的PCB布局。
在這里介紹下便攜式設備的ESD保護中如何應用TVS二極管器件。
便攜式設備如筆記本電腦、手機、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(méi)有選擇合適的保護器件，可能會(huì )造成機器性能不穩定，或者損壞。
一般情況下，對此類(lèi)設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，如鍵盤(pán)、電源接口、數據口、I/O口等等?，F在比較通用的ESD標準是IEC61000-4-2，應用人體靜電模式，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)脈沖持續時(shí)間不超過(guò)60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過(guò)幾百個(gè)微焦爾，但卻足以損壞敏感元器件。
便攜式設備所采用的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。傳統的保護方法已不再普遍適用，有的甚至還會(huì )造成對設備性能的干擾。
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可用于便攜式設備的ESD保護器件有很多，例如設計人員可用分立器件搭建保護回路，但由于便攜設備對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，它們的特性及表現各有不同，TVS二極管在此類(lèi)應用中的獨特表現為其贏(yíng)得了越來(lái)越大的市場(chǎng)。
TVS二極管最顯著(zhù)的特點(diǎn)一是反應迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對線(xiàn)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TVS二極管設計的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結電容，因而在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現。
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TVS與齊納二極管：與傳統的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結面積更大，這一結構上的改進(jìn)使TVS具有更強的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
VS與陶瓷電容：很多設計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護，不但便宜而且設計簡(jiǎn)便，但這類(lèi)器件對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)，損壞率達到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設備的使用過(guò)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標準)，可見(jiàn)使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
TVS與MLV：多層金屬氧化物結構器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類(lèi)器件具有非線(xiàn)性電壓-電流(阻抗表現)關(guān)系，截止電壓可達最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線(xiàn)路和器件的保護，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)對于手持設備的高頻端口非常重要，因為過(guò)高的電容會(huì )影響數據傳輸，造成失真或是降級。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線(xiàn)裝配的要求，而且芯片結構便于集成其它的功能，如EMI和RFI過(guò)濾保護等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設計。
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，現有很多將EMI過(guò)濾和RFI防護等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設計所采用的器件數目降低成本，而且也避免PCB板上布線(xiàn)時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。
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在選用TVS時(shí)，應考慮以下幾個(gè)主要因素：
(1)若TVS有可能承受來(lái)自?xún)蓚€(gè)方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時(shí)，應當選用雙極性的，否則可選用單極性。
(2)所選用TVS的Vc值應低于被保護元件的最高電壓。Vc是二極管在截止狀態(tài)的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它不能大于被保護回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損壞的危險。
(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，應綜合考慮VR和VC兩方面的要求來(lái)選擇適當的TVS。
(4)如果知道比較準確的浪涌電流IPP，則可利用VCIpp來(lái)確定功率；如果無(wú)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，不然有可能損壞TVS。
(6)對于小電流負載的保護，可有意識地在線(xiàn)路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，一般不會(huì )影響線(xiàn)路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(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(lái)對小電流負載線(xiàn)路進(jìn)行保護。
(7)電容量C是由TVS雪崩結截面決定的，這是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數據接口電路選用TVS的重要參數。對于數據/信號頻率越高的回路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強度也大，因此，需要根據回路的特性來(lái)決定所選器件的電容范圍。高頻回路一般選擇電容應盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3pF)，而對電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40pF。
(8)為了滿(mǎn)足IEC61000-4-2國際標準，TVS二極管必須達到可以處理最小8KV(MB，接觸)和15kV(BM,空氣)的ESD沖擊，有的半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標準。而對于某些有特殊要求的便攜設備應用，設計者可以按需要挑選器件。
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區分TVS二極管的單雙向
直流保護一般選用單向TVS管，交流保護一般選用雙向TVS管，多路保護選用TVS陣列器件，大功率保護選用TVS專(zhuān)用保護模塊。但是相比其他的電路保護器件直接的選型應用，TVS二極管在測試前還是先區分其單雙向。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(wàn)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，雙向對稱(chēng)，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(xiàn)，它是用來(lái)區分二極管的正負極的，與單雙向無(wú)關(guān)。
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管保護器件僅能對正脈沖或者負脈沖進(jìn)行防護，而雙向tvs管保護器件一端接要保護的線(xiàn)路，一端接地，無(wú)論來(lái)自反向還是來(lái)自正向的ESD脈沖均被釋放，更有效地保護了IC。
2. 單向TVS管的正向特性與普通穩壓二極管相同，反向擊穿拐點(diǎn)處近似“直角”的硬擊穿為典型的PN結雪崩。當有瞬時(shí)過(guò)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(xiàn)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稱(chēng)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(guò)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L(fǎng)RC的為例，單向的電容C有65PF，雙向的只有15PF;
4.USB數據線(xiàn)上全部用的雙向;
5.電流曲線(xiàn)不同。單方向的TVS管的電路符號與普通的穩壓管相同，其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。雙向二極管正反向都是典型的PN結雪崩器件。
雙向TVS管可以當成單向來(lái)用么?
從市場(chǎng)上看TVS管雙向的應用范圍更廣，從產(chǎn)品單價(jià)上看基本沒(méi)有差別，關(guān)鍵參數電容C越低越好，這就導致電子市場(chǎng)和小型工廠(chǎng)普遍采用雙向的TVS管。但通過(guò)以上的分析比對，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計，有些只能用單向的TVS。
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TVS管器件的主要參數
(1)最小擊穿電壓VBR
當TVS流過(guò)規定的電流時(shí)，TVS兩端的電壓稱(chēng)為最小擊穿電壓，在此區域，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，此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護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)電路面對過(guò)壓威脅。按TVS管的VBR與標準值的離散度，可把VBR分為5％和10％兩種，對于5％的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR腿；而對于10％的VBR來(lái)說(shuō)，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)，在規定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。
(4)箝位電壓Vc
當脈沖峰值電流Ipp流過(guò)TVS管時(shí)，其兩端出現的最大電壓值稱(chēng)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(chēng)為箝位因子(系數)，其值一般在1.2～1.4之間。實(shí)際使用時(shí)，應使Vc不大于被保護電路的最大允許安全電壓，否則被保護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(lái)決定的，它是在1MHz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，將使信號衰減。因此，電容C是數據接口電路選用TVS管的重要參數。
(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。
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穩壓管和TVS管的工作原理
穩壓二極管(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)很小的數值，在這個(gè)低阻區中電流增加而電壓則保持恒定。穩壓二極管是根據擊穿電壓來(lái)分檔的，因為這種特性，穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。穩壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更多的穩定電壓。
TVS(Transient VoltageSuppresser瞬態(tài)電壓抑制器)是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時(shí)間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(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?，以吸收一個(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個(gè)預定的數值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，TVS可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。
TVS管和穩壓管一樣，也是反向應用的。其中VR稱(chēng)為最大轉折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓。VB是擊穿電壓，其對應的反向電流IT一般取值為1mA。VC是最大箝位電壓，當TVS管中流過(guò)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的器件或設備的端口電壓限制在VB～VC的有效區內。與穩壓管不同的是，IPP的數值可達數百安培，而箝位響應時(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。
穩壓管和TVS管的異同
電子系統的應用當中，電壓及電流的瞬態(tài)干擾會(huì )經(jīng)常造成電子設備的損壞，瞬態(tài)干擾的顯著(zhù)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管得到了廣泛的應用，TVS(TransientVoltageSuppressor)是一種在穩壓管工藝基礎上發(fā)展起來(lái)的一高效能的電路保護器件，其電路符號和普通穩壓二極管相同，外形也與普通二極管無(wú)異，當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)預定的數值上，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。我們在一些精密電子設備中經(jīng)?？梢钥吹絋VS二極管作為ESD防護的主要手段之一。
作為二者的共同點(diǎn)，它們都可以用來(lái)穩壓，并且都工作在反向截止狀態(tài)下，其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。但是TVS管齊納擊穿電流更小，大于10V的穩壓只有1mA，相對來(lái)說(shuō)齊納二極管擊穿電流要大不少，但是齊納二極管穩壓精度可以做的比較高。而且TVS管強調的是瞬態(tài)響應，所以其時(shí)間參數就很重要了，也就是說(shuō)穩壓二極管的響應時(shí)間通常要比TVS管的慢。同時(shí)TVS管的功率較大，而穩壓管的功率較小。
其次，從概念上理解，TVS管主要是防止瞬間大電壓的影響，最終可以達到穩壓的目的，這與穩壓管的作用是有區別的。?
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