TVS二极管的工作原理、主要参数及应用

TVS(Transient Voltage Suppressors)二极管，是在齐纳二极管工艺基础上发明的一种新型高效电路保护元器件，亦称TVS管、瞬态电压抑制二极管、瞬变抑制二极管、瞬态电压抑制器、雪崩击穿二极管等，有单向和双向之分。当TVS二极管的两端经受瞬间高能量冲击时，它以PS秒级的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的精密元器件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应速度(小于1ns)和比较高的浪涌电流吸收能力，可用于保护设备或电路，甚至集成电路、MOS器件、混合电路和其地对电压敏感的半导体器件免受静电、电感性负载切换以及感应雷击等所产生的瞬变过电压。硅瞬变电压吸收二极管有多种封装方式(有表面贴装、普通二极管封装等等)，可满足不同场合的需要(如其中有一款16脚双列直插封装的硅瞬变电压吸收二极管列阵包含了多达8～12对对地连接的二极管，特别适合于对数字设备数据线及I/O线的保护)。

1、工作原理与器件特点

硅瞬变电压吸收二极管与常用的半导体稳压二极管工作原理一样，都具有限压功能，但后者常被用在调节稳态电压和小电流箝位中，没有特别强调对付暂态脉冲的吸收。硅瞬变电压吸收二极管则是专门用在抑制暂态过电压，与稳压管相比，它有着更为优越的保护特性，为此硅瞬变电压吸收二极管有如下特点：

⑴有较大的结面积，使通流能力较强。

⑵管内有特殊材料(钼或钨)制成的散热片，故散热条件较好，有利于管子吸收较大的暂态功率。

⑶由于结面积增大了，管子的寄生电容也就相应增大，其值达到几百甚至数千pF，使它在高频下使用受到限制。

2、主要特性参数

主要参数有击穿电压、最大箝位电压、峰值脉冲吸收功率和结电容等。

⑴额定直流持续工作电压VWM。在额定的工作温度内，只要外施电压不超过此值，硅瞬变电压吸收二极管绝对不会转为导通或微通状态。实用中所选器件的这一参数必须大于或等于被保护线路的最大工作电压。

⑵最小击穿电压VBR(min)。在规定的恒流测试电流IT下，所测得的管子两端最小电压。

⑶最大箝位电压VC。指管子通过额定峰值10/1000μs电流波时，在管子两端出现的峰值电压的最大值。

⑷峰值脉冲电流IPP。测试管子特性所使用的10/1000μs峰值电流波。

⑸峰值脉冲功率PP。在额定的10/1000μs峰值电流波下，管子两端的最大箝位电压与管子通过电流峰值的乘积。

⑹漏电流ID。在管子两端施逆向电压VWM时，所测到的管子通过电流。

⑺测试电流IT。用来测试管子反向击穿电压的直流恒流电流，在多数情况下的IT为1mA。

⑻顺向压降VF。只有单极性器件有此数据。一般以额定的正弦波电流通过半个周波时的压降表示，VF<3.5V。

⑼结电容CO。结电容由硅瞬变电压吸收二极管的结面积决定。并在特定的偏置电压及特定的频率(通常是1MHz)下测得。

常用的硅瞬变电压吸收二极管有500W、600W、1.5kW、

5kW和15kW(指峰值脉冲功率)等多种规格。如下图举例相关的电气特性为例，以便熟悉这种器件的特点，详见下附表所示。

“1.5KE”系列硅瞬变电压吸收二极管的最大额定参数如下：

①25℃时的峰值脉冲功率达到1.5kW。

②25℃时的稳态功率为5W(引线长度3/8″)。

③响应时间(从0V至VBR min)<1ns;对双向硅瞬变电压

吸收二极管，<10ps。

④重复率(占空比)为0.01%。

⑤25℃时顺向浪涌电流的额定值为200A(60Hz交流电，半个周波)。

⑥工作与贮存温度为-65℃～+125℃。

下面两图给出了该系列器件峰值脉冲功率与脉冲宽度之间的关系;引线温度与额定功率降额使用之间的关系。

3、分析

⑴根据可能出现的暂态过电压极性选用单向极性管或是双向极性管。

⑵管子的最大箝位电压应低于被保护电子元件或设备的耐受水平。

⑶应估计管子在抑制暂态过电压时可能吸收的最大功率，并按此来选择管子的脉冲功率。只是不同的波形要通过峰值脉冲功率—脉冲宽度曲线来合理选择。

⑷前述表格中所给参数都是在25℃时作出的，随环境温度变化，吸收功率的值应降额使用，可参考降额曲线来确定降额的程度。

⑸表格中IPP时的最大箝压电压与击穿电压的关系相当于氧化物压敏电阻中残余电压与压敏电压之间的关系。根据表中数据可以计算得出两者之比大约在1.3～1.6之间，比压敏电阻的残压比要小得多，这表明硅瞬变电压吸收二极管有一定动态电阻，但比压敏电阻要小得多，限压要精确得多。所以硅瞬变电压吸收二极管常用在精密限压中;或用在组合式保护器的最后一级(靠近设备的这一级)。

4、应用

与其他瞬变干扰吸收器件(气体放电管、压敏电阻和固体放电管)相比，硅瞬变电压吸收二极管的吸收能力相对较弱，价格相对较贵。基于这情况，对小电流负载可在保护电路适当串联一个电阻，限制流入二极管的浪涌电流，以便采用峰值吸收功率小的二极管来替代功率较大的二极管，从而降低保护成本。前提是增加的电阻要不影响被保护电路的工作。图中给出了这种情况的说明。原先用5kW硅瞬变电压吸收二极管处理的a线路，现由于在b线路串入一个25Ω的电阻，使二极管的吸收电流要减至a线路的1/13.5(电源线路的浪诵试验发生器内阻为2Ω)，因此b线路只要用500W的二极管就足够了。而附加电阻由于静态功率消耗甚少，可以用一个额定功率为3W的线绕电阻来担当(理论上可以用额定功率更小的金属膜或碳膜电阻来担当，但这些电阻的抗冲击能力较弱)。

对于雷击，同一地点不可能高速重复出况;但是对于同一电路中的功率开关、继电器以及电机的控制，硅瞬变电压吸收二极管就可能遭受短时间、但是重复出现的瞬态过电压。针对后一种情况，在二极管里要引入平均功率的概念。通过计算短暂脉冲的宽度及脉冲的占空比来确定吸收脉冲的平均功率，要求此值小于二极管额定的稳态功率。图示为驱动电动机时在绕组中感应出来的一系列频率为120Hz、宽度为4μs、峰值电流为25A的脉冲。在此例中选用表面贴装的硅瞬变电压吸收二极管，箝位至11.2V。这样，二极管的峰值脉冲吸收功率为PP=11.2V × 25A=280W二极管的平均吸收功率为Pavg=280W ×(4×10-6)s /(1/120)s=0.134W一个实际选出的二极管应当同时满足上述两个条件。

硅瞬变电压吸收二极管在高速传输电路上使用时，要特别注意它的结电容带来的有害作用。从附表3可以看到，低电压硅瞬变电压吸收二极管有着相应大的结电容，用在信号传输电路上，会造成信号的畸变。作为改进措施，可在硅瞬变电压吸收二极管支路中串联一个高速二极管。因为高速二极管有较小的结电容，二个相互串联的电容的等效电容为C1C2/(C1+C2)，所以等效电容取决于电容量小的这个电容。下页的表格是部分高速二极管的特性参教。下图给出几例采用串联高速二极管降低硅瞬变电压吸收二极管结电容影响的方案。

硅瞬变电压吸收二极管的最高限是电压不超过440V，表面贴装的硅瞬变电压吸收二极管还不超过170V。当将这些硅瞬变电压吸收二极管串联起来就可获得更高限压。只是等效管的最大吸收电流取决于电流最低的这一个管子。顺便指出，硅瞬变电压吸收二极管一般不宜通过并联方法来提高管子电流，因为在实用中难于找到几个特性完全一致的管子。这样，经常是一个管子过载(甚至是严重过载)、另一个欠载，但最终落得一个两败俱伤的结果。

硅瞬变电压吸收二极管的工作特性与一压敏电阻很相似，与气体放电管的应用也有相通之处。因此前两种器件的使用注意事项在硅瞬变电压吸收二极管中也有类同之处，如：

①引线要短;

②尽量安装在瞬变电压发生处;

③为避免电磁耦合，附近应没有信号线和电源线经过。

TVS二极管凭借PS级响应速度、大瞬态功率、低漏电流和电容、箝位电压易控制、击穿电压偏差小、可靠性高、体积小、安装方便等优势，广泛应用于敏感电子零件过压保护中，在汽车电子、消费类电子、工业设备、家用电器、通讯设备等领域均能看到TVS二极管的身影。

审核编辑：汤梓红