關于TVS二極管的應用分析

ID:807588 · 發表于 2020-10-15 16:42

TVS(Transient Voltage Suppressor)二極管，又稱瞬態抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪涌吸收能力。

當它的兩端經受瞬間的高能量沖擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變為低阻抗，以吸收一個瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態高壓尖峰脈沖的沖擊。在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現。

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應用：

1/ 在交流電路中的應用

應用TVS可以有效地抑制電網帶來的過載脈沖，從而起到保護整流橋及負載中所有元器件的作用。TVS箝位電壓應不大于電路的最大允許電壓。

2/ 用TVS保護直流穩壓電源

直流穩壓電源在其穩壓輸出端加上TVS，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射極間的峰值電壓，從而保護晶體管。建議在每個穩壓源的輸出端增加一個TVS管，這樣可以大幅度地提高整機的可靠性。

3/ 用TVS保護晶體管電路

各種瞬變電壓能使晶體管的EB結或CE結擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性（線圈、變壓器、電動機）負載時，通常會產生高壓反電勢，因而可能使晶體管損壞。在實際應用中，建議采用TVS作為保護器件。

4/ 用TVS保護集成運放

集成運放對外界電應力非常敏感。因此，在使用運放的過程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會出現過大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運放受損或失效。

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TVS管與其他電路保護元件對比

1/ TVS二極管與穩壓二極管：

TVS二極管和穩壓二極管在電路都是反向接入，也就是利用它的反向特性，利用PN結雪崩效應，在反向擊穿前均有一個臨界電壓，在反向接入電路都具有穩壓作用，但是也不盡相同，穩壓二極管利用的是把輸入電壓固定在某個數值，而TVS二極管主要是防止瞬態高壓對后級電路進行鉗位；

穩壓二極管一般不會講響應時間，更多的是關注穩壓值，但是對于TVS二極管不一樣，它的特性決定著它擁有不同的作用，TVS二極管具有瞬態抑制高能量作用，因此要求在較短時間內把較高能量瞬間吸收，因此這個時間很短，達到納秒級別；

穩壓二極管的功率一般不是很大，常見的穩壓二極管有1W、2W等，它的功率由它所允許的溫升決定，實際是穩定電壓與電流的乘積，例如對于穩壓二極管1N4742A，它的功率最大只有1W，穩壓值是12V，那么通過它的電流一般不能超過80mA，要不然管子會發熱的厲害；對于TVS二極管，它講究的是瞬時脈沖功率，這個功率值很高，能達到上千瓦，只是這個時間值維持很小。

2/ TVS二極管與壓敏電阻、氣體放電管：

在反應時間上，壓敏電阻介于TVS管和氣體放電管之間，TVS管為皮秒級，壓敏電阻略慢，為納秒級；而氣體放電管最慢，通常為幾十個納秒甚至更多。

在通流容量上，壓敏電同樣介于TVS和氣體放電管之間，TVS管通常只有幾百A;而壓敏電阻按不同規格，可通過數KA到數十KA的單次8/20uS浪涌電流；而對于氣體放電管來說通常十KA級別8/20uS浪涌電流可導通數百次。

從原理上看，TVS管基于二極管雪崩效應；壓敏電阻器基于氧化鋅晶粒間的勢壘作用；而氣體放電管則是基于氣體擊穿放電。

在電壓范圍方面，TVS管通常為5.5V到550V;壓敏電阻的范圍較寬，可從10V到9000V;而氣體放電管可從75V到3500V。

TVS管的非線性特性和穩壓管一樣，擊穿前漏電流很小，擊穿后是標準的穩壓特性，比起壓敏電阻來TVS管最大箝位電壓偏離擊穿電壓較小，優于壓敏電阻，但通流能力比壓敏電阻較小。

壓敏電阻能承受更大的浪涌電流，而且其體積越大所能承受的浪涌電流越大，最大可達幾十kA到上百kA；但壓敏電阻的非線性特性較差，大電流時限制電壓較高，低電壓時漏電流較大。

3/ TVS二極管與陶瓷電容：

很多設計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD 保護，不但便宜而且設計簡便，但這類器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV 的沖擊會造成約10%陶瓷電容失效，到10kV 時，損壞率達到60%，而TVS二極管可以承受15kV 電壓。在手持設備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個端口必須至少能夠承受8kV 接觸沖擊(IEC61000-4-2 標準)，可見使用TVS二極管可以有效保證最終產品的合格率。

4/ TVS二極管與MLV：

多層金屬氧化物結構器件(MLV)也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現)關系，截止電壓可達最初中止電壓的2～3 倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護，如電源回路。而TVS瞬態抑制二極管具有更好的電壓截止因子，同時還具有較低的電容，這一點對于手持設備的高頻端口非常重要，因為過高的電容會影響數據傳輸，造成失真或是降級。

5/ 結語

TVS瞬態抑制二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結構便于集成其它的功能，如EMI 和RFI過濾保護等，可有效降低器件成本，優化整體設計。

另一個不能忽略的特點是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個芯片上，現有很多將EMI 過濾和RFI 防護等功能與TVS 集成在一起的器件，不但減少設計所采用的器件數目降低成本，而且也避免PCB板上布線時易誘發的伴生自感。

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關于TVS二極管的應用分析