TVS二極管

簡(jiǎn)介

　　TVS二極管與常見的穩(wěn)壓二極管的工作原理相似，如果高于標(biāo)志上的擊穿電壓，TVS二極管就會(huì)導(dǎo)通，與穩(wěn)壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，以10^-12S 量級(jí)速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗瑫r(shí)吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位于一個(gè)安全值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞。

TVS器件的特點(diǎn)

　　一、 TVS器件的工作原理

　　瞬態(tài)（瞬變）電壓抑制二極管簡(jiǎn)稱TVS器件，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。

　　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器件的電特性

　　1、單向TVS的V-I特性，單向TVS的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點(diǎn)近似“直角”為硬擊穿，為典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點(diǎn)到Vc值所對(duì)應(yīng)的曲線段表明，當(dāng)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。

　　2.雙向TVS的V-I特性，雙向TVS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≤V(BR)(正) /V（BR）(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，雙向TVS在交流回路應(yīng)用十分方便。

　　TVS器件的主要電參數(shù)

　　1. 擊穿電壓V(BR) 器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流I(BR) 下，測(cè)得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

　　2. 最大反向脈沖峰值電流IPP

　　在反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。IPP與最大箝位電壓Vc(MAX) 的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。 使用時(shí)應(yīng)正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護(hù)器件或線路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。 當(dāng)瞬時(shí)脈沖峰值電流出現(xiàn)時(shí)，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，箝位電壓亦下降，恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。因此，TVS能抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護(hù)電子線路。

　　峰值電流波形

　　A.正弦半波

　　B.矩形波

　　C.標(biāo)準(zhǔn)波（指數(shù)波形）

　　D.三角波

　　TVS峰值電流的試驗(yàn)波形采用標(biāo)準(zhǔn)波（指數(shù)波形），由TR/TP決定。

　　峰值電流上升時(shí)間TR：電流從10%IPP開始達(dá)到90%IPP的時(shí)間。

　　半峰值電流時(shí)間TP：電流從零開始通過(guò)最大峰值后，下降到0.5IPP值的時(shí)間。

　　下面列出典型試驗(yàn)波形的TR/TP值：

　　A.EMP波：10ns /1000ns

　　B.閃電波：8μs /20μs

　　C.標(biāo)準(zhǔn)波：10μs /1000μs

　　3. 最大反向工作電壓VRWM（或變位電壓）器件反向工作時(shí)，在規(guī)定的IR下，器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM。通常VRWM =（0.8~0.9）V (BR) 。

　　在這個(gè)電壓下，器件的功率消耗很小。使用時(shí)，應(yīng)使VRWM 不低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓。

　　4.最大箝位電壓Vc(max ) 在脈沖峰值電流Ipp 作用下器件兩端的最大電壓值稱為最大箝位電壓。

　　使用時(shí)，應(yīng)使Vc(max )不高于被保護(hù)器件的最大允許安全電壓。

　　最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝為系數(shù)。

　　即：箝位系數(shù)=Vc(max )/V(BR) 一般箝位系數(shù)為1.3左右。 最大箝位電壓VC(max )的測(cè)試方法見4.4。

　　5.反向脈沖峰值功率PPR TVS的PPR取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓Vc(max )，除此以外，還和脈沖波形、脈沖時(shí)間及環(huán)境溫度有關(guān)。

　　當(dāng)脈沖時(shí)間Tp一定時(shí)，PPR =K1...·K2 ·Vc(max ) ·Ipp 式中K1為功率系數(shù)，K2為功率的溫度系數(shù)。

　　典型的脈沖持續(xù)時(shí)間tp為1MS，當(dāng)施加到瞬態(tài)電壓抑制二極管上的脈沖時(shí)間tp 比標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)間短時(shí)，其脈沖峰值功率將隨tp的縮短而增加。TVS的反向脈沖峰值功率PPR與經(jīng)受浪涌的脈沖波形有關(guān)，用功率系數(shù)K1表示，各種浪涌波形的K1值如表1所示。

　　E=∫i(t).V(t)dt

　　式中：

　　i(t)為脈沖電流波形，

　　V(t)為箝位電壓波形。

　　這個(gè)額定能量值在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)TVS是不可重復(fù)施加的。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，浪涌通常是重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個(gè)的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復(fù)施加，這些單個(gè)的脈沖能量積累起來(lái)，在某些情況下，也會(huì)超過(guò)TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計(jì)必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時(shí)間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至超過(guò)TVS器件的脈沖能量額定值。

　　6.電容CPP TVS的電容由硅片的面積和偏置電壓來(lái)決定，電容在零偏情況下，隨偏置電壓的增加，該電容值呈下降趨勢(shì)。電容的大小會(huì)影響TVS器件的響應(yīng)時(shí)間。

　　7.漏電流IR 當(dāng)最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí)，TVS管有一個(gè)漏電流IR，當(dāng)TVS用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流是一個(gè)重要的參數(shù)。

　　8.TVS器件分類：

　　按極性可分為：?jiǎn)螛O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(chǎng)合。對(duì)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。

　　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(lái)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(guò)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(lái)選擇適當(dāng)?shù)腡VS。

　　穩(wěn)壓管

　　(4)如果知道比較準(zhǔn)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(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(lái)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(cè)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(lái)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(guó)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。