TVS管的基础知识

一.TVS管概述

当TVS管(瞬态电压抑制器)两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以 10 的负 12 次方秒量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，使两极间的电压箝位于一个预定的值，有效地保护电子线路中的精密元器件。

在浪涌电压作用下，TVS 两极间的电压由额定反向关断电压 VWM 上升到击穿电压 VBR，而被击穿。

随着击穿电流的出现，流过 TVS 的电流将达到峰值脉冲电流 IPP，同时在其两端的电压被钳位到预定的最大钳位电压 VC 以下。

其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS 两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态。

TVS 管有单向与双向之分，单向 TVS 管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。

二.其主要特性参数

1、反向截止电压 VRWM 与反向漏电流 IR：反向截止电压 VRWM 表示 TVS 管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流 IR。

2、击穿电压 VBR：TVS 管通过规定的测试电流时的电压，这是表示 TVS 管导通的标志电压。

3、脉冲峰值电流 IPP：TVS 管允许通过的 10/1000μs 波的最大峰值电流(8/20μs 波的峰值电流约为其 5 倍左右)，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，一般是几 A～几十 A。

4、最大箝位电压 VC：TVS 管流过脉冲峰值电流 IPP 时两端所呈现的电压。

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。

在给定的最大钳位电压下，功耗 PM 越大，其浪涌电流承受能力也就越大，在给定的功耗 PM 下，钳位电压越低，其浪涌电流的承受能力越大。

另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形，持续时间和环境温度有关：典型的脉冲波形持续时间为 1ms，当施加到二极管上的脉冲波形持续时间小于 TP，则随着 TP 的减小脉冲峰值功率增加，TVS 所能承受的瞬态脉冲式不重复的，如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积可能损坏 TVS。

6、稳态功率 P0：TVS 管也可以作稳压二极管用，这时要使用稳态功率。

7、极间电容 Cj：与压敏电阻一样，TVS 管的极间电容 Cj 也较大，且单向的比双向的大，功率越大的电容也越大，极间电容会影响 TVS 的响应时间。

三.优点及缺点

优点：响应速度快，为 ns 级、瞬态功率大、漏电流低;其 10/1000μs 波脉冲功率从 400W～30KW，脉冲峰值电流从 0、52A～544A;击穿电压有从 6、8V～550V 的系列值，便于各种不同电压的电路使用。

缺点：耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差;稳压二极管：反应较慢;一般用于电压精度要求高的地方(一般较小)，防浪涌，击穿电压精准，各压值档都有;齐纳击穿;压敏电阻：与稳压二极管相似，但不可恢复。

四.选型依据及注意事项

1、TVS 的最大反向钳位电压 VC 应小于被保护电路的损坏电压。

2、TVS 的额定反向关断电压 VWM 要大于或等于被保护电路的最大工作电压， 若选用的 VWM 太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作; 串行连接分电压，并行连接分电流。

3、交流电压只能用双向 TVS。

4、在规定的脉冲持续时间内，TVS 的最大峰值脉冲功率 PM 必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率，在确定了最大钳位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

5、结电容是影响 TVS 在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个 TVS 管和一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等小电容也较小，可以满足高频使用的要求。

6、需要考虑降额使用的应用;应用场合：功率开关电路;整流二极管(与之同向);电源变压器;防直流电源反接或电源通断时产生的瞬时脉冲;抑制电机，断电器线圈，螺线管等感性负载产生的瞬时脉冲电压;控制系统的输入输出端。

7、确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。

8、对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适寄生电容的TVS器件。

9、根据用途选用TVS的极性及封装结构，交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。

10、温度考虑，瞬态电压抑制器可以在-55℃～+150℃之间工作，如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃～+175℃，大约线性下降50%与击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加，因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

11、处理瞬时脉冲对元件损害的最好办法是将瞬时电流从感应元件引开，TVS二极管在线路板上与被保护线路进行并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便产生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流透过二极管被引开，避开被保护元件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。

当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压，许多元件在承受多次冲击后，其参数及性能会产生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会产生损坏或退化。

使用注意事项：

1、对瞬变电压的吸收功率峰值与瞬变电压脉冲宽度间的关系，手册给的只是特定脉宽下的吸收功率峰值，实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计，对宽脉冲应降额使用。

2、对小电流负载的保护，可有意识地在电路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值合适，不影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小，这就有可能选用峰值功率较小的 TVS 管来对小电流负载电路进行保护。

3、对重复出现的瞬变电压的抑制，要注意 TVS 管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

4、环境温度升高时要降额使用，TVS 管的引线长短，它与被保护线路的相对距离。

五.应用举例

直流电路中选用举例：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，TP=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 VRWM 为 13V，则击穿电压为 V(BR)=VRWM/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 和峰值电流 IP 计算出方波脉冲峰值功率：PPR=VC×IP=20×50=1000W。

4、计算折合为 TP=1MS 指数波的峰值功率，折合系数 K1=1.4， PPR=1000W÷1.4=715W 交流电路选用举例：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 PPR。

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VRWM，TVS 保护直流稳压电源实例：

图中是一个直流稳压电源，并有扩大电流输出的晶体管，在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中的集电极到发射极间的峰值电压，保护晶体管，建议在每个稳压电源输出端加一个TVS 管，可以大幅度提高整机应用的可靠性。

还有用 TVS 保护晶体管，集成电路，可控硅，功率 MOS 管即在在栅源之间加上瞬变电压抑制二极管，可防止栅极击穿，继电器等。

继电器的触点往往用大电流去开关电动机等大电流电感负载，而电感在开关时有很高的反电势而且有较大的能量，往往把触点烧坏或击穿产生电弧等，必须对触点采取保护，抑制电弧的产生，以保护继电器。

但是这种电弧产生的浪涌电流很大，过去采用电容或者用电容串联电阻、二极管、二极管串联电阻等抑制方案，现在采用瞬变电压抑制二极管方案效果更好。

直流电源防护设计

室外网口防护电路

注意，TVS管的寄生电容可能影响信号完整性，可以使用压敏电阻放在变压器抽头，作为防护电路，支持更高速率的网口设计。

232防护电路设计

485防护电路设计

六.压敏电阻 VS TVS管

1、材料本征响应时间由上面的导通机理分析可以知道，氧化锌压敏陶瓷导电机理是隧道击穿，所以其材料响应时间就是其隧道电子击穿时间，一般为0.3ns。

TVS管导电机理是雪崩击穿，其响应时间就是其雪崩电子击穿时间，一般在0.5~1ns之间。

2、产品结构对响应时间影响片式氧化锌压敏电阻器采用多层独石结构，其寄生电感非常小，对其响应时间影响甚微，有些设计人员谈到的压敏电阻响应时间慢主要指用于AC端防浪涌的插件压敏电阻，因为较长的引线引入寄生的电感导致响应时间较慢(25ns)。

而TVS管为了SMT要求，在其两端设计电极引线，也会产生寄生电感，对其响应时间有一定影响。

而ESD放电波形一般在1nS达到峰值，这就需要过电压防护器件在1nS内迅速响应，钳制过电压，保护IC和ESD敏感线路。

从响应时间看，片式压敏电阻和TVS的响应时间都满足ESD防护的需求，从而起到良好的防护效果。

综合以上分析和对比，片式氧化锌压敏陶瓷电阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制电压较低，瞬态内阻较小，适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位，如听筒、MIC、音频等。

而压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强，除了一般的ESD防护，也特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。

在响应时间方面，要避免陷入片式氧化锌压敏陶瓷电阻的响应时间慢的误区。

由于工艺的差异，片式压敏电阻的价格要远低于TVS，表现出良好的性价比，设计人员可以根据电路的实际应用灵活选择片式压敏电阻或者TVS。

TVS 是半导体保护器件，具有响应速度快，可靠性高的优点，弱点一是无法承受太大的瞬间电流，二是其箝位电压随着电流增加而增加。

特别适合于不需要旁路大能量的低电压场合应用，示例电路如下：

压敏电阻的突破承载取决于它的物理尺寸，因而可以获得较高的浪涌电流值，其箝位特性使他可以为AC或DC电源线应用中作为瞬态保护元件，压敏电阻的价格较为低廉。

相比TVS二极管它的缺点是寄生电容较大，响应时间较慢，离散性大，另外压敏电阻会产生蜕化，因此存在可靠性和性能问题。

实例电路AC200V电源防雷：

DC12V/24V 电源防雷：

七.陶瓷气体放电管 VS TVS管

陶瓷气体放电管：主要用于线路中的防雷和过压保护，气体放电管指作过电压保护用的避雷管或天线开关管一类，管内有二个或多个电极，充有一定量的惰性气体，气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它用在通信系统的防雷保护。

当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时，两极间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平。

GDT 的特点是大通流量、高耐压值、极低的结间电容。缺点是多次工作后性能下降需要更换，并且在有源接口应用时必须要注意维持电压或者续流问题，因此一般也多配合压敏电阻使用。GDT的工作模式：

雷击电压通过不同电压防护器件的波形

八.TSS管 VS TVS管

图 TSS管的原理图符号

电压开关型瞬态抑制二极管(TSS)与TVS管相同，也是利用半导体工艺制成的限压保护器件，但其工作原理与气体放电管类似，而与压敏电阻和TVS管不同。

当TSS管两端的过电压超过TSS管的击穿电压时，TSS管将把过电压钳位到比击穿电压更低的接近0V的水平上，之后TSS管持续这种短路状态，直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后，TSS恢复开路状态。

TSS是电压开关型瞬态抑制二极管，就是涌抑制晶体管或者叫做导体放电管，固体放电管等等。

TSS管是利用半导体工艺制成的保护器件，主要用于信号电路的防雷保护，不能用在电源端口。

TSS器件的通流容量一般最高可达到150A(8/20uS)。

TSS管和TVS管都是利用半导体工艺制成的限压保护器件，TSS管是电压开关型的，TVS是电压钳位型的。

TSS管在响应时间，结电容方面与TVS管是相同特点，易于制成表贴器件，很适合在单板上使用，TSS管适合于信号电平较高的信号电路保护。

TSS管在响应时间、结电容方面具有与TVS管相同的特点。

易于制成表贴器件，很适合在单板上使用，TSS管动作后，将过电压从击穿电压值附近下拉到接近0V的水平，这时二极管的结压降小，所以用于信号电平较高的线路，例如模拟用户线、ADSL等。

TSS适合于信号电平较高的信号线路的保护。

在使用TSS管时，需要注意的一个问题是：TSS管在过电压作用下击穿后，当流过TSS管的电流值下降到临界值以下后TSS管才恢复开路状态，因此TSS管在信号线路中使用时，信号线路的常态电流应小于TSS管的临界恢复电流。

临界恢复电流值随TSS管的型号和设计应用场合的不同而不同，使用时应注意在器件手册中查明所用具体型号的确切值。

TSS管的击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的，在信号回路中时，应当有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。

TSS管较多应用于信号线路的防雷保护。

TSS管的失效模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成TSS管被炸裂而开路，TSS管的使用寿命相对较长。

审核编辑：汤梓红