TVS瞬態(tài)抑制二極管在電路中的應(yīng)用

概述瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS(Transient Voltage Suppressor)，是一種具有雙向穩(wěn)壓特性和雙向負(fù)阻特性的過壓保護(hù)器件，類似于壓敏電阻器。它應(yīng)用于各種交流及直流電源電路中，用來抑制瞬間過電壓。當(dāng)被保護(hù)電路瞬間出現(xiàn)浪涌脈沖電壓時(shí)，雙向擊穿二極管能迅速齊納擊穿，由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，對浪涌電壓進(jìn)行分流和箝位，從而保護(hù)電路中各元件不被瞬間浪涌脈沖電壓損壞。

響應(yīng)速度特別快(為ps級);耐浪涌沖擊能力較放電管和壓敏電阻差，其10/1000μs波脈沖功率從 400W～30KW，脈沖峰值電流從0.52A～544A;擊穿電壓有從6.8V～550V的系列值，便于各種不同電壓的電路使用。它的封裝形式有軸向引線型與貼片型兩大類。貼片型有：SMAJ(400W)、SMBJ(600W)、SMCJ(1.5kW)、SMDJ(3kW)系列，軸向引線型有：P4KE (400W)、SA(500W)、P6KE(600W)、1.5KE(1.5kW)、3KP(3kW)、5KP(5kW)、15KPA(15kW)、 20KPA(20kW)、30KPA(30kW)系列和低電容的SAC(500W，50 pF)、LCE(1.5kW，100pF)系列。此外，還有BZW04(400W)系列玻璃鈍化結(jié)TVS管。

在使用TVS二極管防esd靜電時(shí)，因?yàn)門VS二極管的參數(shù)對電路有一定的影響所以選擇的時(shí)候應(yīng)該注意參數(shù)要求，消費(fèi)電子和便攜消費(fèi)電子設(shè)備，電腦中的視頻線路、USB接口等容易受到ESD的影響。

由于電路中的很多元件不能夠提供有效的esd靜電保護(hù)。TVS二極管正是為解決靜電問題的，它用于吸收esd能量并且保護(hù)系統(tǒng)免遭esd損害。因?yàn)閠vs在電路板上的布局很重要，所以TVS布局前的導(dǎo)線應(yīng)盡可能的減到最短，因?yàn)榭焖倜}沖可能產(chǎn)生導(dǎo)致TVS保護(hù)能力下降的額外電壓。

常見的視頻線路保護(hù)，視頻輸出端口一般有DVI和D-TERMINAL等等。視頻數(shù)據(jù)線需要具備高數(shù)據(jù)傳輸效率，有些數(shù)據(jù)傳輸率要在1G以上。所以TVS二極管低電容的和TVS二極管串聯(lián)，使整條線路的結(jié)電容降到最低標(biāo)準(zhǔn)，以此來達(dá)到高效傳輸。比如ASIMESD5D003TA結(jié)電容非常低，完全適用于所有高速通訊線路的保護(hù)。

用于不同端口和線路選擇TVS二極管時(shí)，要避免使器件工作在其設(shè)計(jì)參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)回路的特征及可能承受esd沖擊的特征選用反應(yīng)速度快、敏感度足夠高的器件，這可以最大的發(fā)揮保護(hù)器件作用，另外可以考慮選用帶有其它保護(hù)功能的器件也。

選用TVS的步驟

1)確定待保護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)計(jì)算出最大值，即有效值的1.414倍。

2)TVS的反向變位電壓即工作電壓(VRWM)----選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計(jì),如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路的工作。

3)最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。

4)所選TVS的最大箝位電壓(VC)應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓，建議Vbr≥1.2*工作電壓。

5)單極性還是雙極性----雙向TVS用于交流電或來自正負(fù)雙向脈沖的場合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號，那么單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài);反向浪涌時(shí)，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。

6)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率。如果無法確定功率的概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。

TVS管的應(yīng)用

1)TVS管與ESD保護(hù)管

TVS瞬態(tài)電壓抑制，電子器件遭受直接或者是間接的雷擊，靜電放電等因素導(dǎo)致的浪涌，電壓從幾伏到幾千伏不等。ESD靜電放電保護(hù)就是對器件靜電的防護(hù)。

TVS二極管和ESD二極管相比較，兩者的原理一樣，但是根據(jù)功率和封裝來分就不一樣。ESD主要是用來防靜電，防靜電要求電容值低，一般是在1pF～3.5pF之間最好，但是TVS就做不到這點(diǎn)，因?yàn)門VS的電容值比較高。

它們的應(yīng)用場合也不同，TVS一般用于初級和次級的保護(hù)，而ESD主要用于板級的保護(hù)，選擇TVS時(shí)一般看器件的封裝還有功率。ESD器件一般看中ESD防護(hù)等級和ICE6100-4-2的水平。

2)靜電放電防護(hù)

防止過壓損壞的最佳保護(hù)措施是用非線性電路進(jìn)行限壓或鉗位，最常用的是專門的二極管(比如TVS管)，當(dāng)它們在前向偏置或處于齊納擊穿區(qū)時(shí)具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因?yàn)橥ㄟ^電容放電會(huì)有大的浪涌電流經(jīng)過限壓器。

雖然消除了高瞬態(tài)電壓，但代之以幾個(gè)安培的浪涌電流可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)其它問題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達(dá)到幾個(gè)安培。在為芯片設(shè)計(jì)I/O單元時(shí)，經(jīng)?？吹?A～16A的浪涌電流進(jìn)入器件。處理如此巨大的瞬態(tài)浪涌電流已經(jīng)成為ESD設(shè)計(jì)中的大問題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流可能使系統(tǒng)中其它地方的電路和地發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

被限壓器強(qiáng)制導(dǎo)入地的電流將在系統(tǒng)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生感應(yīng)性振鈴現(xiàn)象。電源通常沿著地線傳播，并且是電源去耦電容的函數(shù)，因此系統(tǒng)核心仍能正常工作。不過連到電路板上的控制線可能出現(xiàn)混亂，因?yàn)樗鼈兪窍鄬Π逋獾牡囟⒌?。結(jié)果可能在某個(gè)位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個(gè)輸入端看起來出現(xiàn)故障。瞬態(tài)抑制二極管(Transient Voltage Suppression Diode，簡稱TVS)是一種用于抑制瞬態(tài)電壓波動(dòng)的保護(hù)器件。它主要用于保護(hù)電路不受過電壓、過電流等瞬態(tài)事件的影響。

TVS的工作原理基于搭建一個(gè)快速響應(yīng)的通路，以吸收和調(diào)節(jié)過電壓的能量。它由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)組成，通常使用硅材料制造。TVS具有較高的擊穿電壓和響應(yīng)速度，可在納秒級別內(nèi)響應(yīng)瞬態(tài)電壓。

在正常工作情況下，TVS處于高阻態(tài)，僅有很小的泄漏電流。當(dāng)電路中出現(xiàn)過電壓時(shí)，TVS會(huì)迅速變?yōu)榈妥钁B(tài)，形成一個(gè)通路，將過電壓波形上的能量引導(dǎo)到地或其他合適的地方，以保護(hù)其他電路設(shè)備免受損壞。

TVS的擊穿電壓一般設(shè)定在需保護(hù)的電路設(shè)備可承受的最大電壓范圍之內(nèi)。當(dāng)輸入電壓超過這個(gè)擊穿電壓時(shí)，TVS會(huì)快速響應(yīng)并開始導(dǎo)通，將電壓限制在設(shè)定的范圍內(nèi)。這樣可以有效地保護(hù)電路設(shè)備不受過大的電壓沖擊。

推薦使用一個(gè)限流電阻®與TVS并聯(lián)連接?。這個(gè)限流電阻的作用是限制流經(jīng)TVS的電流，以確保TVS的額定工作電流范圍內(nèi)。

當(dāng)輸入電壓過大時(shí)，TVS會(huì)快速變?yōu)榈妥钁B(tài)，將過電壓波形的能量引導(dǎo)到地，保護(hù)電路或設(shè)備。同時(shí)，限流電阻可限制過大的電流流經(jīng)TVS，確保TVS的工作穩(wěn)定性。

總之，TVS通過將過電壓波形的能量引導(dǎo)到地或其他合適的地方，起到抑制或限制電壓的作用，保護(hù)電路設(shè)備免受過電壓的損害。它是一種常用的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電路保護(hù)和浪涌抑制方面。