TVS 的基本知识
1.TVS 概述
TVS即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管的简称，英文全称 Transient Voltage Suppressor Diode。
图1 常见的 TVS 管类型
TVS 是一种二极管形式的限压型过压保护器件。当 TVS 的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以 10-12 秒（ps）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浪涌脉冲的损坏。
它的特点：响应速度快（1ps）、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小（5%）、箝位能力强等。耐浪涌抑制电压能力特强，其脉冲功率从几百瓦—几十千瓦，脉冲峰值电流从几安—几百安。常用的 TVS 重重的击穿电压有从 3.3V~600V，甚至更高的系列值。TVS 广泛应用于半导体及敏感零件的保护，二级电源和信号电路的保护，以及防静电等。
2. TVS 的原理及作用
TVS 并联于线路，用于抑制瞬间突波。通过图 2 可以说明其工作原理。在正常工作状态下，TVS 对受保护器件呈高阻抗状态，不影响线路的正常工作；当有异常的过电压脉冲超过其击穿电压时，TVS 由高阻状态变为低阻状态，提供的一个低阻抗路径使流向被保护元器件的瞬间电流转而分流到 TVS 二极管，瞬间的浪涌电流经 TVS 管泄放掉， 同时把电压精确地限制到一个安全的水平；当异常过电压消失后，TVS 立即恢复到高阻状态
图2 TVS保护原理说明图
3. TVS 的分类
根据不同的标准，TVS 可以有如表 所示分类：
分类标准 | 类型 |
极性 | 单向型和双向型 |
用途 | 通用型和专用型 |
封装 | 表贴型、轴向引线型和双列直插型 |
图3 表贴型 轴向引线型 双列直插型
表贴型常见的类型主要有：SOD-123、SMA（DO-214AC）、SMB（DO-214AA）、SMC（DO-214AB）、DO-218AB；
轴向引线型常见的的类型主要有：DO-41、DO-15、DO-201、R-6/P-600
4.TVS 的基本特性
TVS 有单向和双向之分，单向 TVS 的特性与稳压二极管相似，双向 TVS 管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。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。单向TVS 一般用于直流电路，双向 TVS 适用于交流电路。
4.1 单向TVS的V-I特性
如图 4 所示，单向 TVS 的正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点处近似“直角”的硬击穿为典型的PN 结雪崩。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。
图 4 单向 TVS 二极管特性曲线
4.2 双向TVS的V-I特性
如图 5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≤VBR (正) / VBR (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。
图 5 双向 TVS 二极管特性曲线
瞬态电压抑制二极管特性曲线说明：
VBR：击穿电压；IT：TVS 瞬间变为低阻抗的点；VRWM：截止电压，在此阶段TVS 为不导通状态；VC：钳制电压，钳制电压约略等于 1.3* VBR；VF：正向导通电压；IR：反向漏电流；IT：崩溃电压之测试电流；IPP：突波峰值电流；IF：正向导通电流。
5.TVS 的主要特性参数
国巨（君耀）TVS 规格参数
1、截止电压 VRWM：
表示 TVS 管可连续施加而不引起TVS 劣化或损坏的最大的直流电压或交流峰值电压。在这个电压下只有很小的反向漏电流 IR。在VRWM 下，TVS 认为是不工作的，即是不导通的。通常 VRWM =（0.8—0.9）VBR。目前 TVS 常见截止电压为 5V—440V。
2、击穿电压V
BR：TVS 通过规定的测试电流 IT=1.0mA 时的电压，这是表示TVS 管导通的标志电压。TVS 管的击穿电压有±5% 的误差范围。按 TVS 的 VBR 与标准值的离散程度，可把VBR 分为 5％ 和 10％两种。对于 5％的 VBR 来说，VRWM =0.85VBR；对于 10％的VBR 来说，VRWM =0.81VBR。
也可以这样理解:击穿电压，指在V-I 特性曲线上，在规定的脉冲直流电流IT 或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS 两端的电压。对于低压TVS，由于漏电流较大，所以测试电流选取的IT 较大，如SMAJ5.0A，测试电流IT 选取10mA。VBR 测试电路如图6 所示，使用脉冲恒流源对TVS 施加IT 大小的电流时，读出TVS 两端的电压则为击穿电压。电流施加时间应不超过400ms，以免造成TVS 受热损坏。VBR MIN.和VBR MAX.是TVS 击穿电压的一个偏差，一般TVS 为±5%的偏差。测量时，VBR 落在VBR MIN.和VBR MAX.之间视为合格品。
图6 TVS 击穿电压（VBR）测试电路
3、脉冲峰值电流 IPP：
TVS 管允许通过 10/1000μs 波的最大峰值电流（图7所示），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。
图7 10/1000μs 电流波形
4、最大箝位电压VC：
钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流IPP 时，TVS 两端测得的峰值电压。VC 、IPP 反映了 TVS 的突波抑制能力。 VC 与 VBR 之比称为钳位因子，一般在 1.2—1.4 之间，一般箝位系数取 1.3 左右。对于TVS 在防雷保护电路中的钳位特性，可以参考VC 这个参数。对于相同型号TVS，在相同IPP 下的VC 越小，说明TVS 的钳位特性越好。TVS 的耐脉冲电流冲击能力可以参考IPP，同型号的TVS，IPP 越大，耐脉冲电流冲击能力越强。
图8为TVS 峰值脉冲电流（IPP），钳位电压（VC）测量试验回路示意图，测量时应考虑到TVS 的散热问题，两次测试时间间隔不能太短，以免对TVS 造成损坏。
图8 TVS 钳位电压（VC），峰值脉冲电流（IPP）试验回路
5、脉冲峰值功率PM：
脉冲峰值功率PM 是指 10/1000μs 波的脉冲峰值电流 IPP 与最大箝位电压 VC 的乘积，即PM=IPP* VC。目前 TVS 常见峰值功率有 400W、500W、600W、1500W。
6.TVS 与其他器件的区别
6.1 TVS与齐纳二极管的区别
TVS 是在齐纳管工艺基础上发展起来的高效能电路保护器件，其电路符号和齐纳二极管相同， 外形也与齐纳二极管无异。二者的共同点，它们都可以用来稳压，并且都工作在反向截止状态。
TVS 其正向特性与齐纳二极管相同，反向特性为典型的 PN 结雪崩特性。同等电压下TVS 管击穿电流要比齐纳二极管小,大于10V 电流只有 1mA,但是齐纳二极管稳压精度可以做的比较高；TVS管强调的是瞬态响应,TVS 管的响应时间要比齐纳二极管快； TVS 管的功率较大，而齐纳二极管的功率较小。
其次，从概念上理解，TVS 管主要是防止瞬间大电压的影响，最终可以达到稳压的目的，这与齐纳二极管的作用是有区别的。
6.2 TVS与压敏电阻的区别
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合物变阻器。TVS 比压敏电阻的特性优越得多，具体特性参数的比较如表 所示。
TVS 与压敏电阻的区别
关键参数或极限值 | TVS | 压敏电阻 |
反应速度 | 
| 
|
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 | 无极性 |
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 |
6.3 TVS 的短路失效模式
TVS 最为常见的失效模式为短路失效。而且短路失效对电路的影响最为严重。TVS 一旦发生短路失效，释放出的高能量常常会将保护的电子设备损坏。引发 TVS 短路失效的的因素包括内在质量因素和使用因素。TVS 除了常见的短路失效外，还有另外两种失效模式：开路和电特性退化。
6.4 引起TVS短路失效的内在质量因素
TVS 器件主要由芯片、电极系统和管壳 3 部分构成。其中芯片是核心，通常在单晶硅片上采用扩散工艺形成。如果在 TVS 制造工艺过程中控制不良，则可能造成 TVS 器件的固有缺陷，使 TVS 成品率和可靠性降低，容易导致筛选或使用中失效。引发 TVS 短路失效的主要内在质量因素很多。
1、 芯片粘结界面空洞；
2、 台面缺陷；
3、 表面强积累层或强反型层；
4、 芯片裂纹；
5、 杂质扩散不均匀。
6.5 引起TVS短路失效的使用因素
1、 过电应力；
2、 高温；
3 、长时间工作损耗。
内在质量因素引起 TVS 短路失效的机理主要是 TVS 制造工艺过程造成的芯片缺陷或损伤使TVS 在承受脉冲冲击时芯片局部电流集中，导致芯片局部过热或烧毁。引起 TVS 短路的使用因素主要有过电应力，高温和长时间使用耗损。
要减少 TVS 短路失效，首先应加强 TVS 制造工艺工程的控制，尤其是对烧焊、台面成型、碱腐蚀清洗、掺杂等工艺过程的控制，以减少或消除 TVS 的固有缺陷。其次，做到 TVS 的正确选型与安装，最好对 TVS 发生短路失效时对被保护电子设备的影响降到最低，通常可在 TVS 前串接一条与之匹配的保险丝。
7 TVS 的工艺
目前市场上 TVS 管产品主要有 OJ（酸洗）工艺、GPP（玻璃钝化）工艺。如图9 所示。
图9 TVS 的工艺
OJ 工艺：采用涂胶保护结，然后在 200℃左右温度进行固化。保护P-N 结获得电压。
GPP 工艺：芯片的 P-N 结是在钝化玻璃的保护之下，玻璃是将玻璃粉采用 800℃左右的烧结熔化，冷却后形成玻璃层。这玻璃层和芯片熔为一体，无法用机械的方法分开。
两种产品的最大不同就在 P-N 结的保护上。 OJ 的保护胶，仅是覆盖在P-N 结的表面。
7.1 TVS两种工艺的特性比较
当外界有应力冲击（冷热冲击，弯角处理时的机械应力等）或塑料封装体漏气等等情况下 OJ 产品的保护胶和硅片结合的不牢固，就会使器件出现一定比率的失效。GPP 产品则不会出现类似的情况。GPP 二极管的可靠性高。常温下 GPP 的漏电流比 OJ 小；GPP 的HTRB（High Temperature ReverseBias，即高温反向偏置，是衡量产品可靠性的最重要参数）比 OJ 好很多，OJ 的产品仅能承受 100℃左右的 HTRB，而GPP 能承受 150℃的高温。现在GPP 和 OJ 工艺都能用于片式或插装形式的TVS 管的生产中，在选用上一定要注意分清。
7.2 TVS的工艺流程
图10 TVS 的工艺流程。
8 TVS 选型注意事项
8.1最高工作电压VRWM
在电路正常工作情况下，TVS 应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低， 在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择VRWM 时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。
8.2 TVS功率选型
TVS二极管产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，具体可参照如下计算方法。TVS二极管的额定功率记为PPPM， 则PPPM 的功率可估算为：
8.3TVS 钳位电压
TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，大多数 TVS 的 VC 与 VBR 及 IPP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高 VC 也越高。在一些低功耗电路或高精度采集电路中，IR 过大可能导致电路功耗过大或信号的采集精度超标。因低压（V[size=0.706em]RWM＜10V）TVS 的 IR 较大，如果后级电路耐受能力较强的话，尽量选择 10V 或以上的 TVS；如果后级电路耐受能力不足，需要选择小 IR 且低电压的TVS，我司也可以提供这类产品。
8.4结电容
TVS 的结电容一般在几十皮法至几十纳法。对于同一功率等级的 TVS，其电压越低，电容值越大。在一些通信线路中， 要注意 TVS 的结电容，不能影响电路正常工作。
8.5 封装形式
TVS的功率从封装形式上也可以体现，封装体积越小，其功率一般也越小，因为 TVS的芯片面积直接决定了 TVS的功率等级。
9 TVS 的应用
应用1：
TVS典型应用1
如图所示，LTC2900 为电源监控芯片，对 1.0V，1.8V，3.3V，5V 电压进行监控，若出现电压变化，RST 端输出相应信号，TVS 在输出端与电容C64 起到防静电与免受浪涌破坏的作用
应用2：
TVS 典型应用2
如图所示是一个双向 TVS 在交流电路中的应用电路。应用 TVS 可以有效地抑制过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用
应用3：
如图 所示，74AHC1G14 为单门反向施密特触发器，SN65HVD1176D 为RS485 收发器，D2，D3 为 TVS 管，在电路中起到防静电，防瞬间电压突变的作用。
10.1.1 介绍
LCDA 系列 TVS 阵列用来保护敏感电子设备，防止静电荷以及其他瞬变电压问题带来的破坏。每个器件保护 2 条高速率传输线，是双向器件，可以用在正负极性信号线上。
主要特点：用于高速率数据线传输；有四种电压等级：5V、12V、15V、24V；低漏电流；低箝位电压。脉冲功率为 300W；工作温度-55—125℃；存储温度-55—150℃。
主要应用：高速率数据线；通用串行总线口的保护。
10.1.2 结构与连线
LCDA 系列图
LCDA 系列 TVS 用于双路传输保护，引脚 1 与 2 连在一起，7 和 8 连在一起，为一个 I/O 口提供电路保护，引脚 3 和 4 连在一起，5 和 6 连在一起为第二个I/O 口提供电路保护。为了达到最好的效果，接地线应该直接接地，线长越短越好，以减少电路板上寄生电感的影响。
LCDA 系列 TVS 阵列结构图
TVS 阵列在电路板布线时注意：
1、把TVS 阵列放在靠近输入端口的位置来限制瞬态耦合；
2、减小 TVS 与被保护线间的路径长度；
3、减少所有的导电回路包括电源与地的回路；
4、接地的瞬态静电返回路径越短越好；
5、不能在板子边缘走关键信号。
10.2 RS485 收发器专用 PSM712 系列标准电容 TVS 阵列
10.2.1 介绍
PSM712瞬态抑制TVS二极管阵列是专为保护具有非对称工作电压（-7V至12V）的RS-485应用而设计的，使其端口免受ESD、EFT和雷电导致的浪涌电流带来的危害。TVS二极管阵列PSM712，能够吸收高于IEC 61000-4-2国际标准规定之最高级别的反复性ESD放电，同时在极低的箝位电压下安全地耗散19A的8/20us波形浪涌电流，根本不用担心其功能会发生退化。
10.2.2 结构与应用
PSM712 系列 TVS 阵列结构图
典型应用：
PSM712 系列 TVS 阵列应用
图 为 RS485 的前级输入保护电路，气体放电管 G1、G2、G3，自恢复保险丝 F1、F2，TVS管 D3 构成三级保护；电感，电容等起到滤波的作用。
11 TVS 生产厂商
1.君耀电子（已被国巨电子收购）
2.Littelfuse(美国力特)3.伯恩斯BOURNS
4.安森美ON
5.安世NXP
6.先科Semtech
7.Protek
8.威世Vishay
9.意法ST
10.爱普科斯EPCOS
11.德州仪器TI
12.东沃电子
13.伯恩半导体14.萨科微
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