1、TVS二極管在電路設計中的應用 摘要：瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）是一種保護敏感元器件免受ESD和EMI浪涌脈沖的有效、低成本的器件。本文介紹了TVS二極管的特性及關鍵參數(shù)；給出了TVS二極管選型及在電路設計中的典型應用，同時給出了TVS二極管的性能優(yōu)化及使用時注意事項。 關鍵詞：TVS；電路設計；元器件保護 Abstract: Transient voltage suppression is an effective low-cost chip, to protect sensitive electronic component from e

2、lectrostatic discharge and electromagnetic interference surge interference. In this article , will describes as below : 1). the characteristics and Key parameters of Transient voltage suppression; 2). How to select Transient voltage suppression and the typical application in circuit design, 3).the T

3、ransient voltage suppression performance optimization and operating precautions. Key words: TVS; circuit design; electronic component protection引言 瞬態(tài)抑制(TVS)二極管又叫箝位型二極管，是目前普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但其吸收的浪涌功率可達數(shù)千瓦，它的主要特點是在反向應用條件下，當承受一個高能量的脈沖時，其工作阻抗立即降至極低的導通值，從而允許大電流通過，同時把電壓箝制在預定水平，其響應時間<1ns，因此可

4、有效地保護電子線路中的精密元器件。具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、損壞極限較高、體積小等優(yōu)點。1 TVS二極管的特性及關鍵參數(shù)1.1 TVS二極管的特性 在規(guī)定的反向應用條件下，TVS二極管對受保護的線路呈高阻抗狀態(tài)。當瞬間電壓超過其擊穿電壓時，TVS二極管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元器件的瞬間電流分流到TVS二極管，同時將受保護元器件兩端的電壓限制在TVS二極管的箝位電壓。當過壓條件消失后，TVS二極管又恢復到高阻抗狀態(tài)。1.2 TVS二極管的關鍵參數(shù)1.2.1 最小擊穿電壓VBR 器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內，在規(guī)定的試驗電流I

5、BR（一般情況IBR1mA）下，測得器件兩端的電壓稱為最小擊穿電壓。1.2.2 反向斷態(tài)電壓VRWM TVS二極管最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，該電壓施加于TVS二極管的兩極間時，它處于反向關斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流IR。1.2.3 脈沖峰值電流IPP 反向工作時，在規(guī)定的脈沖波形（如：10/1000s雙指數(shù)波形）條件下，器件允許通過的最大浪涌電流。1.2.4 最大箝位電壓VC 當脈沖峰值電流IPP流過TVS二極管時，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二極管的浪涌抑制能力。通常把VC與VBR之比稱為箝位因子（系數(shù)），其值一般在1.21.4之

6、間。1.2.5 脈沖峰值功率PPP 脈沖峰值功率PPP是指脈沖峰值電流IPP與最大箝位電壓VC的乘積，即PPPIPP×VC。它是TVS二極管能承受的最大峰值功率。在給定的最大箝位電壓下，脈沖峰值功率PPP越大，其浪涌電流的承受能力越大。1.2.6 結電容CJ TVS二極管結電容CJ是由其硅片的雪崩結截面和偏置電壓來決定的，是在特定頻率（1MHz）下測得。 CJ的大小與TVS二極管的電流承受能力成正比，CJ太大，將使信號衰減。因此，電容CJ是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS二極管的重要參數(shù)。1.2.7 最大反向漏電流IR 當反向斷態(tài)電壓VRWM施加到TVS二極管上時，TVS二極管對應的電流IR。

7、2 選用TVS二極管的注意事項 在選用TVS二極管時，根據(jù)電路的具體情況，一般應考慮以下幾個主要因素： a) 若TVS二極管有可能承受來自兩個方向的尖峰脈沖電壓沖擊時，優(yōu)先選用雙極性。交流電路必 須選用雙極性TVS二極管；多線保護選用TVS二極管陣列。大功率保護選用TVS二極管專用保護模塊。 b) 所選用TVS二極管的VC值必須低于被保護元件的最高工作電壓（峰值），也不能大于被保護回 路的可承受極限電壓，否則被保護元件有可能被損壞。 c) TVS二極管的反向斷態(tài)電壓VRWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VRWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。 d)

8、TVS二極管在正常工作狀態(tài)下不能處于擊穿狀態(tài)，所承受的電必須處于VRWM以下，應綜合考慮 VRWM和VC兩方面的要求來選擇適當?shù)钠骷吞枴?e) 利用VC×IPP來確定功率，如果沒有準確的IPP值，可根據(jù)電磁兼容試驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗值來確定。 f) 結電容CJ的大小與TVS二極管的電流承受能力成正比，但CJ過大將使信號衰減。對于信號頻 率越高的電路，結電容對電路的影響越大，形成噪聲也較大。在實際使用電路信號頻率較高時，需要考慮結電容參數(shù)，如果多個節(jié)點并聯(lián)使用，應特別關注。高頻回路一般選擇電容量小的LCTVS管（如USB2.0口，要求結電容低于3pF），或者用一個TVS二極管與一個快恢復二極

9、管以背對背方式連接。 g) TVS二極管可在-55+150溫度范圍內工作。由于其反向漏電流IR是隨溫度增加而增大、功耗隨TVS管結溫增加而下降，大約線性下降；擊穿電壓隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。 h) 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內，TVS二極管的最大峰值脈沖功率PPP必須大于被保護電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。一般TVS二極管的最大峰值脈沖功率是以10/1000s的非重復脈沖給出的，而實際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當脈沖寬度不同時其峰值功率也不同。 i) TVS二極管應用在繼電器、功率

10、開關或電機控制等場合下，需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊，應考慮這種沖擊對平均穩(wěn)態(tài)功率參數(shù)選擇的影響。 j) 不能通過并聯(lián)使用提高吸收功率。 k) 選用TVS二極管陣列不但可以大大節(jié)約PCB板的空間，而且可減少由于回路復雜而可能誘發(fā)的寄生性線路自感影響。 l) 當TVS二極管用于高阻抗電路時，漏電流是一個重要的參數(shù)。3 TVS二極管在電路設計中的典型應用 在實際應用電路中，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。為達到這一目的，將TVS二極管在PCB上與被保護器件并聯(lián)。這樣，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的

11、通路，其結果是瞬時電流通過TVS二極管被引開，從而避開被保護器件，并且電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓，在此之后，當瞬時脈沖結束以后，TVS二極管在自動恢復至高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓狀態(tài)。以下是TVS二極管在電路應用中的幾個典型實例。3.1 TVS二極管在交流電路中的應用 如圖1所示，這是一個雙向TVS二極管在交流電路中的應用，可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護整流橋及負載中所有元器件的作用。 圖1 TVS二極管應用于交流電路 如圖2所示，單向TVS二極管并聯(lián)于整流管旁側，以保護整流管不被瞬時脈沖擊穿。圖2 TVS二極管應用于整流電路3.2 TVS二極管應用于直

12、流穩(wěn)壓電源保護 圖3是一個直流穩(wěn)壓電壓，在其輸出端加上TVS二極管，可以保護使用該電源的儀器設備，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，從而保護晶體管。建議在每個穩(wěn)壓源的輸出端增加一個TVS二極管，這樣可以大幅度地提高整機的可靠性。圖3 TVS二極管應用于直流穩(wěn)壓電源保護3.3 TVS二極管應用于晶體管電路保護 各種瞬變電壓會使晶體管的EB結或CE結擊穿而損壞，當晶體管集電極有感性(繼電器線圈、變壓器、電動機)負載時，通常會產(chǎn)生高壓反電勢，可能損壞晶體管。在實際應用中，建議采用TVS二極管作為保護器件。圖4所示為TVS二極管應用于晶體管電路的保護實例。圖4 TVS二極管用于晶

13、體管電路保護3.4 集成電路的保護 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，故須采取保護措施。通常在CMOS電路的輸入端及輸出端都有保護網(wǎng)絡，為了可靠起見，在各整機對外接口處也增加了各種保護網(wǎng)絡。圖5中給出了用TVS二極管對CMOS器件進行保護的有關電路措施。圖5 TVS二極管集成電路保護實例3.5 TVS二極管應用于集成電路運放保護 集成運放對外界電應力非常敏感，圖6所示是用TVS在運放差模輸入端防止過壓損傷的保護電路。圖6 TVS二極管應用于集成運放保護3.6 TVS二極管應用于通信端口保護 通信總線需要與外部很多設備進行數(shù)據(jù)交換，要增加浪涌防

14、護功能；如圖7所示，TVS二極管對管在RS-485收發(fā)器接口處實現(xiàn)共模浪涌防護功能。圖7 通信端口保護電路4 TVS二極管性能優(yōu)化4.1 器件擺放位置 TVS二極管在進出PCB的I/O連接器上的數(shù)據(jù)和電源線上使用，器件盡量接近噪聲源，確保浪涌電壓可以在脈沖耦合到鄰近PCB導線之前被鉗位。另外，PCB應使用較短的TVS二極管導線，減少浪涌能量的消耗。圖8提供了PCB布局建議的實例。圖8 TVS二極管器件放置示意圖4.2 環(huán)路區(qū) 將TVS二極管與被保護器件間的距離盡量加大可以提高防護效果，但卻可能增加環(huán)路區(qū)的面積大小，如圖9所示。應根據(jù)應用情況調整TVS二極管與被保護器件的距離。圖9 環(huán)路區(qū)域4.

15、3 走線方式 避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián)，接口信號線路和接地線路應先連接保護器件，然后再進入回路的其它部分，如圖10所示。圖10 布線示意圖4.4 接地選擇 a) 原則上，保護器件應和被保護器件接在同一個地上。泄放電流IL<100A的TVS二極管應接信號地。 b) 如果信號輸入需要光耦隔離，則輸入信號應先到TVS二極管再到光耦，TVS二極管接到隔離地上。 c) 如果使用變壓器隔離，則TVS二極管接到變壓器之后，TVS二極管接信號地。 d) 泄放電流IL>100A時，TVS二極管應先接至保護地上，然后再接機殼地。4.5 TVS二極管應放置于過流防護器件（如保險管）之后。5 TVS二極管在使用中應注意的事項 a) 脈沖峰值功率與瞬變電壓脈沖寬度間的關系。器件手冊給的只是特定寬度下的脈沖峰值功率， 而實際電路設計中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計。對寬脈沖應降額使用，對小電流負載的保護，可在電路中增加限流電阻，即可實現(xiàn)選用脈沖峰值功率較小的TVS二極管對小電流負載電路進行保護。 b) 降額使用。TVS二極管要注意環(huán)境溫度升高時的降額使用。特別要注意TVS二極管的引線長短， 以及它與被保護線路的相對距離。當沒有合適電壓的TVS二極管供選用時，允許用多個TVS二極管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個。而脈沖峰值功率等于電流與串聯(lián)