tvs二极管的基础知识

TVS二极管的基础知识

（6）瞬态电压抑制器

TVS （Transient Voltage Suppresser 瞬态电压抑制器） 二极管和 MLV(Multi-Layer Varistor，多层变阻器)等 ESD 保护器是近几年发展起来的一种固态二极管，专门用于 ESD 保护。

TVS 二极管是和被保护电路并联的，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极 管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过 热烧毁。由于 TVS 二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理 想的保护作用。

改进后的 TVS 二极管还具有适应低压电路（＜5 V）的特点，且封装集成度高，适 用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。很低的箝位电压,经过多次 ESD 过程后不会 劣化.这些特点决定了它有广泛的适用范围，尤其在高档便携设备的接口电路中有很好 的使用价值。

由于 TVS 响应时间远小于 1ns,能够迅速地将 ESD 故障电流放电到接地端，而且其 漏电流和结电容都很低，要测量其响应就要用快速脉冲发生器-TLP 脉冲发生器。右图 是其测试的特性图。

瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor）简称 TVS，是一种二极管形式

的高效能保护器件，有的文献上也为 TVP、AJTVS、SAJTVS 等。

当 TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以 10-12 秒量级的速度， 将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位 于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。 由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较

易控制、无损坏极限、体积小等优点，目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、电 源、家用电器等各个领域。具体有以下三大特点：

1、将 TVS 二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的肪冲， 如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。

2、静电放电效应能释放超过 10000V、60A 以上的脉冲，并能持续 10ms；而一般的

TTL 器件，遇到超过 30ms 的 10V 脉冲时，便会导至损坏。利用 TVS 二极管，可有效吸

收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰（Crosstalk）。

3、将 TVS 二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪 音影响。

一、TVS 的特性及主要参数

1、TVS 的特性曲线

TVS 的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同；反向特 性为典型的 PN 结雪崩器件。

在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS 的电流，由原来的反向漏电流 ID 上升到 IR

时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压 VWM 上升到击穿电压 VBR，TVS 被击穿。随

着峰值脉冲电流的出现，流过 TVS的电流达到峰值脉冲电流 IPP。在其两极的电压被箝 位到预定的最大箝位电压以下。尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS 两极的电压也不 断下降，最后恢复到起始状态。这就是 TVS 抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子 元器件的整个过程。

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2、TVS 的特性参数

①最大反向漏电流 ID 和额定反向关断电压 VWM。VWM 是 TVS 最大连续工作的直流或

脉冲电压，当这个反向电压加入 TVS 的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电 流应小于或等于其最大反向漏电流 ID。

②最小击穿电压 VBR 和击穿电流 IR

VBR 是 TVS 最小的雪崩电压。25℃时，在这个电压之前，TVS 是不导通的。当 TVS 流 过规定的 1mA 电流（IR）时，加入 TVS 两极间的电压为其最小击穿电压 VBR。按 TVS 的 VBR 与标准值的离散程度，可把 TVS 分为±5%VBR 和平共处±10% VBR 两种。对于

±5%VBR 来说，VWM=0.85VBR；对于±10% VBR 来说，VWM=0.81 VBR。 ③最大箝拉电压 VC 和最大峰值脉冲电流 IPP

当持续时间为 20 微秒的脉冲峰值电流 IPP 流过 TVS 时，在其两极间出现的最大峰

值电压为 VC。它是串联电阻上和因温度系数两者电压上升的组合。VC 、IPP 反映了 TVS 器件的浪涌抑制能力。VC 与 VBR 之比称为箝位因子，一般在 1.2~1.4 之间。

④电容量 C

电容量 C 是 TVS 雪崩结截面决定的、 在特定的 1MHZ 频率下测得的。 C 的大小与 TVS

的电流承受能力成正比，C 过大将使信号衰减。因此，C 是数据接口电路选用 TVS 的重 要参数。

⑤最大峰值脉冲功耗 PM

PM 是 TVS 能承受的最大峰值脉冲耗散功率。其规定的试验脉冲波形和各种 TVS 的 PM 值，请查阅有关产品手册。在给定的最大箝位电压下，功耗 PM 越大，其浪涌电流的 承受能力越大；在给定的功耗 PM 下，箝位电压 VC 越低，其浪涌电流的承受能力越大。 另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且 TVS 所能承 受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为 0.01%，如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的“累积”，有可能使 TVS 损坏。 ⑥箝位时间 TC

TC 是从零到最小击穿电压 VBR 的时间。对单极性 TVS 小于 1×10-12 秒；对双极性 TVS 小于是 1×10-11 秒。

二、TVS 二极管的分类

TVS 器件可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通

用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如：各种交流电压保护器、4~200mA 电流环保 器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为： 轴向引线二极管、双列直插 TVS 阵列（适用多线保护）、贴片式、组件式和大功 率模块式等。

三、TVS 的选用技巧

1、确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端” 容限。

2、 TVS 额定反向关断 VWM 应大于或等于被保护电路的最大工作电压。 若选用的VWM 太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压， 并行连接分电流。

3、TVS 的最大箝位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压。

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4、在规定的脉冲持续时间内，TVS 的最大峰值脉冲功耗 PM 必须大于被保护电路内 可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪 涌电流。

5、对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容 C 的 TVS 器件。

6、根据用途选用 TVS 的极性及封装结构。交流电路选用双极性 TVS 较为合理；多 线保护选用 TVS 阵列更为有利。

7、温度考虑。瞬态电压抑制器可以在－55~+150℃之间工作。如果需要 TVS 在一

个变化的温度工作，由于其反向漏电流 ID 是随增加而增大；功耗随 TVS 结温增加而下 降，从+25℃到+175℃，大约线性下降 50％雨击穿电压 VBR 随温度的增加按一定的系数 增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

8、美国 ProTek 公司提供的 TVS 二极管，有下列不同的功率选择：

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 与压敏电阻的比较

目前，国内不少需进行浪涌保护的设备上使用的是压敏电阻。压敏电阻是一种金

属化物变阻器。TVS 比压敏电阻的特性优越得多，具体特性参数的比较如下表所示。今 年压敏电阻具有响应速度更快、无极性、成本低等优点。

关键参数或极限值 TVS 压敏电阻

反应速度 10-12s 5×10-8

有否老化现象 否 有

最高使用温度 175℃ 115℃

元件极性 单极性与双极性 单极性

反向漏电流典型值 5Μa 200μA

箝位因子（VC/VBR） ≤1.5 ≥7~8

密封性质 密封不透气 透气

价格 较贵 便宜

一、二极管的选用常识

选用二极管要注意的几个方面：

(1)正向特性

另在二极管两端的正向电压（P 为正、N 为负）很小时（锗管小于 0.1 伏，硅管小

于 0.5 伏），管子不导通处于“死区”状态，当正向电压起过一定数值后，管子才导通， 电压再稍微增大，电流急剧暗加（见曲线 I 段）。不同材料的二极管，起始电压不同， 硅管为 0.5-.7 伏左右，锗管为 0.1-0.3 左右。

(2)反向特性

二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电流

基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流（见曲线 II 段）。不同材料的二极管， 反向电流大小不同，硅管约为 1 微安到几十微安，锗管则可高达数百微安，另外，反 向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。

(3)击穿特性

当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿（见

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曲线 III）。这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子， 其反向击穿电压值差异很大，可由 1 伏到几百伏，甚至高达数千伏。

(4)频率特性

由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使 PN 结短路。导致二极管 失去单向导电性，不能工作，PN 结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工 作。