TVS二極管特性及其在電路設(shè)計中的應(yīng)用

瞬態(tài)電壓抑制器是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，具有極快的響應(yīng)時間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)TVS的兩端受到反向瞬態(tài)過壓脈沖時，能以極高的速度把兩端間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收瞬間大電流，并將電壓箝制在預(yù)定數(shù)值，從而有效保護(hù)電路中的元器件免受損壞。本文講述了TVS器件的主要特性參數(shù)和選用注意事項，同時給出了TVS在電路設(shè)計中的應(yīng)用方法。

1 TVS器件的特性及主要參數(shù)

1.1 TVS的器件特性

在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，TVS對受保護(hù)的線路呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)瞬間電壓超過其擊穿電壓時，TVS就會提供一個低阻抗的路徑，并通過大電流方式使流向被保護(hù)元器件的瞬間電流分流到TVS二極管，同時將受保護(hù)元器件兩端的電壓限制在TVS的箝制電壓。當(dāng)過壓條件消失后，TVS又恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。與陶瓷電容相比，TVS可以承受15 kV的電壓，但陶瓷電容對高壓的承受能力比較弱。5 kV的沖擊就會造成約10%陶瓷電容失效，而到10 kV時，其損壞率將高達(dá)到60%。

1.2 TVS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，TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，在此區(qū)域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃時，低于這個電壓，TVS是不會發(fā)生雪崩擊穿的。

(2)額定反向關(guān)斷電壓VWM

VWM是TVS在正常狀態(tài)時可承受的電壓，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，這樣才不會在TVS工作以前使整個電路面對過壓威脅。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散度，可把VBR分為5%和10%兩種，對于5%的VBR來說，VWM=0.85VBR腿;而對于10%的VBR來說，VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脈沖電流IPP

IPP是TVS在反向狀態(tài)工作時，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時，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。實際使用時，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)脈沖是不可重復(fù)施加的。

(6)電容量C

TVS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(shù)據(jù)接口電路選用TVS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上時，TVS管的漏電流。當(dāng)TVS用于高阻抗電路時，這個漏電流IR一個重要參數(shù)。

2選用TVS的注意事項

在選用TVS時，根據(jù)電路的具體情況，一般應(yīng)考慮以下幾個主要因素：

首先，由于雙向TVS可以在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平。因此，若電路有可能承受來自兩個方向的浪涌電壓沖擊時，應(yīng)當(dāng)選用雙向TVS。雙向TVS一般適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。另外，箝位電壓Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓。

其次，就是最大峰值脈沖功耗PM必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。但是，在實際應(yīng)用過程中，浪涌有可能重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但是，如果重復(fù)施加，這些單個的脈沖能量積累起來，也可能在某些情況下超過TVS器件所能承受的脈沖能量。因此，在電路設(shè)計時，必須在這點上認(rèn)真考慮并選用合適的TVS器件，以使其在規(guī)定的間隔時間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至于超過TVS器件的脈沖能量額定值。

第三，在實際應(yīng)用過程中，對最大反向工作電壓必須有正確的選取，一般原則是以交流電壓的1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1～1.2倍來選取TVS管的最高反向工作電壓。

3 TVS在電路設(shè)計中的典型應(yīng)用

在實際的應(yīng)用電路中，處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時電流從敏感器件引開。為達(dá)到這一目的，將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TNS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時電流通過TVS被引開，從而避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。在此之后，當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管再自動恢復(fù)至高阻狀態(tài)，整個回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。以下是TVS在電路應(yīng)用中的幾個典型實例。

3.1 TVS在交流電路中的應(yīng)用

圖1所示是一個雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。

3.2用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

圖2是一個直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護(hù)晶體管。建議在每個穩(wěn)壓源的輸出端增加一個TVS管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。

3.3用TVS保護(hù)晶體管電路

各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性(線圈、變壓器、電動機(jī))負(fù)載時，通常會產(chǎn)生高壓反電勢，因而可能使晶體管損壞。在實際應(yīng)用中，建議采用TVS作為保護(hù)器件。圖3所示為TVS保護(hù)晶體管的四種電路實例。

3.4集成電路的保護(hù)

由于現(xiàn)代IC的集成度越來越高，而其耐壓則越來越低，因而很容易受到瞬變電壓的沖擊而損壞，故須采取保護(hù)措施。通常在CMOS電路的輸入端及輸出端都有保護(hù)網(wǎng)路，為了可靠起見，在各整機(jī)對外接口處也增加了各種保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。圖4給出了用TVS對TTL及CMOS器件進(jìn)行保護(hù)的有關(guān)電路措施。

3.5用TVS保護(hù)集成運(yùn)放

集成運(yùn)放對外界電應(yīng)力非常敏感。因此，在使用運(yùn)放的過程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會出現(xiàn)過大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖5所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路。

4結(jié)束語

本文主要講述了TVS器件的特性和主要參數(shù)，以及選用器件時的注意事項，同時給出了器件在電路設(shè)計中的典型應(yīng)用電路，以便加深電路設(shè)計人員對TVS的認(rèn)識，為設(shè)計出高可靠性的應(yīng)用電路提供基礎(chǔ)。雖然目前的TVS在國內(nèi)的應(yīng)用正處于推廣階段，但我們有理由相信，隨著越來越多的設(shè)計者對TVS的認(rèn)識不斷加深以及TVS所表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，TVS器件最終將獲得極為廣泛的應(yīng)用。