原创 TVS

一、  TVS器件的特点
    瞬态（瞬变）电压抑制二级管简称TVS器件，在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为1ps（10-12S）。TVS允许的正向浪涌电流在T ＝25℃，T＝10ms条件下，可达50～200A 。
    双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平，双向TVS适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。

二、TVS器件的电特性
1、单向TVS的V-I特性
   如图1-1所示，单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿，为典型的PN结雪崩器件。从击穿点到Vc值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值，并保持在这一水平上。
 
2、双向TVS的V-I特性
   如图1-2所示，双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，正反两面击穿电压的对称关系为：0.9≤V(BR)(正) /V（BR）(反) ≤1.1，一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压Vc就会立刻被抑制掉，双向TVS在交流回路应用十分方便。

三、TVS器件的主要电参数
1、 击穿电压V_(BR)
器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流I_(BR) 下，测得器件两端的电压称为击穿电压，在此区域内，二极管成为低阻抗的通路。

2、 最大反向脉冲峰值电流I_PP
在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。I_PP与最大箝位电压Vc_(MAX)的乘积，就是瞬态脉冲功率的最大值。
使用时应正确选取TVS，使额定瞬态脉冲功率P_PR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。
 
图1-3表明当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态。因此，TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子线路。

峰值电流波形
A、正弦半波  
B、矩形波 
C 、标准波（指数波形） 
D、三角波
TVS峰值电流的试验波形采用标准波（指数波形），由T_R/T_P决定。  
　  峰值电流上升时间TR:电流从0.1I_PP开始达到0.9I_PP的时间。
 
半峰值电流时间T_P：电流从零开始通过最大峰值后，下降到0.5I_PP值的时间。 其波形如图1-4所示。
 
下面列出典型试验波形的T_R/T_P值：  
 A、EMP波（图1-5）：10ns /1000ns     B、闪电波：8μs /20μs     C、标准波：10μs /1000μs
 
 

3、 最大反向工作电压V_RWM（或变位电压）
器件反向工作时，在规定的I_R下，器件两端的电压值称为最大反向工作电压V_RWM。通常V_RWM =（0.8~0.9）V _(BR) 。在这个电压下，器件的功率消耗很小。使用时，应使V_RWM 不低于被保护器件或线路的正常工作电压。

4、 最大箝位电压Vc_{(max )}
在脉冲峰值电流Ipp 作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。使用时，应使Vc_{(max )}不高于被保护器件的最大允许安全电压。最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数。
即：箝位系数=Vc_{(max )}/V_(BR) 
一般箝位系数为1.3左右。
最大箝位电压VC(max )的测试方法见4.4。

5、 反向脉冲峰值功率P_PR 
    TVS的P_PR取决于脉冲峰值电流I_PP和最大箝位电压Vc_{(max )}，除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。  
当脉冲时间Tp一定时，P_PR =K₁...·K₂ ·Vc_{(max )} ·Ipp
式中K₁为功率系数，K₂为功率的温度系数。  
典型的脉冲持续时间tp为1MS，当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp  比标准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加。图1-8给出了PPR与tp 的关系曲线。TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关，用功率系数K1表示，各种浪涌波形的K1值如表1所示。
 
 

E=∫i(t).V(t)dt  
式中：i(t)为脉冲电流波形，V(t)为箝位电压波形。  
这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是，在实际的应用中，浪涌通常是重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但若重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，在某些情况下，也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此，电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件，使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。

6、 电容C_PP
TVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定，电容在零偏情况下，随偏置电压的增加，该电容值呈下降趋势。电容的大小会影响TVS器件的响应时间。

7、 漏电流I_R
当最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管有一个漏电流I_R，当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流是一个重要的参数。

TVS选用原则：

在选用瞬态电压抑制二极管(TVS)时，必须考虑电路的具体条件，一般应遵循以下原则：

一、     大箝位电压Vc_(MAX)不大于电路的最大允许安全电压。

二、     最大反向工作电压（变位电压）VRWM不低于电路的最大工作电压，一般可以选VRWM等于或略高于电路最大工作电压。 
 
三、     额定的最大脉冲功率，必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。

下面是TVS在电路应用中的典型例子:
 
TVS用于交流电路：
图2-1是一个双向TVS在交流电路中的应用，可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。TVS的箝位电压不大于电路的最大允许电压。
图2-2所示是用单向TVS并联于整流管旁侧，以保护整流管不被瞬时脉冲击穿，选用TVS必须是和整流管相匹配。
图2-3所示电路中，单向TVS1和TVS2反接并联于电源变压器输出端或选用一个双向TVS，用以保护整流电路及负载中的元器件。TVS3保护整流以后的线路元件，如电源变压器输出端电压为36伏时一般TVS1和TVS2的工作电压VR应根据36×√2 来选择，其它参数依据电路中的具体条件而下。 
 
 
TVS用于直流电路：
图2-4所示TVS并联于输出端，可有效地保护控制系统。TVS的反向工作电压应等于或略高于直流供电电压，其它参数根据电路的具体条件而定。
图2-5所示为两个单向TVS连接在电源线路中，用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏。当电路连接有感性负载，如电机、断电器线圈、螺线管时，会产生很高的瞬时脉冲电压，
图2-6中的TVS可以保护晶体管及逻辑电路，从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络。
图2-7电路中TVS起保护和电压限制的作用。

直流电中选用举例：
整机直流工作电压12V，最大允许安全电压25V（峰值），浪涌源的阻抗50MΩ，其干扰波形为方波，T_P=1MS ，最大峰值电流50A。 选择：

1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压V_RWM为13V，则击穿电压

V_(BR) =V_RWM /0.85=15.3V   

2、从击穿电压值选取最大箝位电压Vc_(MAX)=1.30×V_(BR)=19.89V，取 

Vc=20V

3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率：

P_PR=V_C×I_P=20×50=1000W  

4、计算折合为T_P=1MS指数波的峰值功率，折合系数K1=1.4，
 
P_PR=1000W÷1.4=715W

从手册中可查到1N6147A其中P_PR=1500W，变位电压V_RWM=12.2V，击穿电压V_(BR)=15.2V，最大箝位电压Vc=22.3V，最大浪涌电流I_P=67.3A。可满足上述设计要求，而且留有一倍的余量，不论方波还是指数波都适用。

交流电路应用举例：
      直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管，交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。交流是电网电压，这里产生的瞬变电压是随机的，有时还遇到雷击（雷电感应产生的瞬变电压）所以很难定量估算出瞬时脉冲功率P_PR。但是对最大反向工作电压必须有正确的选取。一般原则是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1—1.2倍来选取TVS管的最大反向工作电压V_RWM。
 
图2-8给出了一个微机电源采用TVS作线路保护的原理图，由图可见：

1. 
   
2.  在进线的220V~处加TVS管抑制220V~交流电网中尖峰干扰。
   
3.  在变压器进线加上干扰滤波器，滤除小尖峰干扰。
   
4.  在变压输出端V~=20V处又加上TVS管，再一次抑制干扰。
   
5.  到了直流10V输出时还加上TVS管抑制干扰。

其中：双向TVS管D1的V_RWM=220V~×1.4=308V左右  
双向TVS管D2的V_RWM=20V~×1.4=28V左右  
单向TVS管D3的V_RWM=10V~×1.2=12V左右
 
      经过如上四次抑制，变成所谓的“净化电源”，还可以加上其它措施，更有效地抑制干扰，防止干扰进入计算机的CPU及存贮器中，从而提高微机系统的应用可靠性。 
      从失效统计概率可知：微机系统产生100次故障，其中90次来自电源，10次是微机本身，可见电源的可靠性最重要，要提高整机可靠性，首先应提高电源的可靠性。