TVS(Transient Voltage Suppressors，瞬態(tài)電壓抑制器)又稱雪崩擊穿二極管，是一種高效電路保護(hù)器件，主要是保護(hù)電路不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖(靜電或雷擊浪涌)的沖擊。

 

一、工作原理

TVS是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個PN結(jié)或多個PN結(jié)集成的器件，其電氣特性是由PN結(jié)面積、摻雜濃度及晶片阻質(zhì)決定的，耐突波電流的能力與PN結(jié)面積成正比。

 

當(dāng)TVS的反向電壓小于工作電壓 V R W M V_{RWM} VRWM時，TVS處于高阻態(tài)，基本可認(rèn)為不導(dǎo)通；當(dāng)TVS的反向電壓大于擊穿電壓 V B R V_{BR} VBR時，TVS的阻抗開始迅速下降，并且TVS的反向電壓將幾乎不變。

 

 

當(dāng)TVS受到反向瞬態(tài)高壓尖峰脈沖沖擊時，TVS以ps級的速度由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗瑢⒋蟛糠值哪芰靠焖傥眨⑶毅Q位電壓由擊穿電壓上升至最大箝位電壓 V C V_C VC，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，鉗位電壓也逐漸下降，恢復(fù)到原來狀態(tài)，有效地保護(hù)電子線路元器件免受各種形式的脈沖沖擊。

 

 

由于靜電和浪涌的能量、峰值電流、波形和持續(xù)時間的不同，TVS在受到靜電和浪涌沖擊時的電壓波形也不同。

 

TVS受到+8KV的ESD沖擊時的電壓波形

 

 

TVS受到峰值電流 I P P I_{PP} IPP為62A的浪涌(8/20uS)沖擊時的電壓波形

 

 

二、關(guān)鍵參數(shù)

2.1 最大反向工作電壓 V R W M V_{RWM} VRWM

最大反向工作電壓就是當(dāng)TVS管反向工作電流為 I R I_R IR(一般 I R I_R IR為0.1uA~1uA)時，TVS管兩端的電壓值。此時TVS管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，即最大反向工作電壓為TVS管不導(dǎo)通的最高電壓。

 

為了不影響電路正常工作，應(yīng)使 V R W M V_{RWM} VRWM不低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓；從漏電的角度考慮，特別是超低功耗產(chǎn)品設(shè)計中， V R W M V_{RWM} VRWM與被保護(hù)信號的工作電壓差值越大，漏電流則越小。

 

2.2 漏電流 I R I_R IR

漏電流是指在最大反向工作電壓條件下，流過TVS的最大電流。一般來說， I R I_R IR是個uA級以下的小電流，此時TVS管只有很小的功耗。

 

當(dāng)TVS用于高阻抗電路時，漏電流是一個重要的參數(shù)，比如：在ADC采樣電路中，漏電流可能影響ADC的采樣值。

 

2.3 擊穿電壓 V B R V_{BR} VBR

擊穿電壓就是當(dāng)TVS管反向工作電流為 I B R I_{BR} IBR(一般 I B R I_{BR} IBR為1mA~10mA)時，TVS管兩端的電壓值。擊穿電壓是TVS管導(dǎo)通的標(biāo)志，當(dāng)反向電壓超過擊穿電壓，隨著反向電壓增大，反向電流將急劇增加。

 

通常擊穿電壓和最大反向工作電壓有如下公式：

V R W M = ( 0.8 ∼ 0.9 ) V B R (1) V_{RWM}=(0.8\sim0.9)V_{BR}\tag{1} VRWM=(0.8∼0.9)VBR(1)

 

2.4 最大脈沖峰值電流 I P P I_{PP} IPP

最大反向脈沖峰值電流是指TVS按照IEC61000-4-5或GB/T 17626.5標(biāo)準(zhǔn)，使其工作在規(guī)定的電流脈沖(8/20uS或10/1000uS)波形下，TVS允許通過的最大峰值電流。

 

如果data sheet中只標(biāo)注了8/20uS脈沖下的峰值電流，我們可以通過峰值脈沖功率-時間曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，來獲得10/1000uS脈沖波形的峰值電流。

 

 

在1000uS時，峰值功率大致為65W，并且又因?yàn)門VS能夠承受不損壞自身的電壓是固定的，所以10/1000uS波形下的峰值功率為：65W/15V=4.3A。

注：ESD5651N的最大鉗位電壓為15V。

 

對于data sheet中沒有上述關(guān)系圖的TVS，可以按照保守點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)值估算：相同的TVS在8/20uS的脈沖下測得的峰值電流將是10/1000uS脈沖下的5倍。

 

2.5 最大箝位電壓 V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)

最大箝位電壓是指在峰值電流為 I P P I_{PP} IPP的8/20uS脈沖作用下TVS兩端箝住的電壓，一般取30ns時的電壓值。 V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)應(yīng)小于后級被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，否則后級被保護(hù)電路將損壞。

 

最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝位系數(shù)，即：箝位系數(shù)= V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)/ V B R V_{BR} VBR，一般箝位系數(shù)為1.3左右。

 

 

當(dāng)對TVS施加ESD時，可通過下圖電路測量出TVS兩端的電壓波形，從而可清晰地知道TVS在ESD作用下的箝位電壓和反應(yīng)時間。

 

 

2.6 脈沖峰值功率 P P K P_{PK} PPK

脈沖峰值功率是指在規(guī)定的脈沖條件下，TVS瞬間能承受的最大功率值，反映了TVS浪涌抑制能力。

 

TVS的 P P K P_{PK} PPK取決于脈沖峰值電流 I P P I_{PP} IPP和最大箝位電壓 V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)，但是除此以外，還和脈沖波形、脈沖時間及環(huán)境溫度有關(guān)。

 

所以最終TVS的脈沖峰值功率計算公式為：

P P K = K 1 ∗ K 2 ∗ I P P ∗ V C m a x K 3 (2) P_{PK}=\frac{K_1*K_2*I_{PP}*V_{Cmax}}{K_3}\tag{2} PPK=K3K1∗K2∗IPP∗VCmax(2)

 

式中 K 1 K_1 K1為功率系數(shù)， K 2 K_2 K2為溫度系數(shù)， K 3 K_3 K3為時間系數(shù)。

 

功率系數(shù) K 1 K_1 K1取值如表2.1，8/20uS的電流波可認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)波。

 

表2.1 常見波形的功率系數(shù)

 

溫度系數(shù) K 2 K_2 K2可通過data sheet中的功率降額 VS 環(huán)境溫度曲線直接獲取。

 

 

時間系數(shù) K 3 K_3 K3可根據(jù)峰值脈沖功率-時間曲線直接按比例轉(zhuǎn)換。

 

 

2.7 結(jié)電容 C P P C_{PP} CPP

結(jié)電容是指TVS的寄生電容，它由PN結(jié)面積和反向電壓決定。同一個系列的TVS，功率越大，結(jié)面積就越大，寄生電容也越大；同一個TVS的結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，在擊穿時減到最小。

 

 

參考羅廣孝、崔翔等人的《TVS靜電抑制器等效電路參數(shù)估算及應(yīng)用》可知，結(jié)電容的大小會影響TVS的響應(yīng)時間，電容越大，TVS響應(yīng)時間越長。

 

另外結(jié)電容也會影響電路中信號的傳輸質(zhì)量，結(jié)電容越大，對信號影響越大。所以針對不同的信號，特別是高速信號，需要選擇合適的結(jié)電容才能保證正常的通信，表2.2為德州儀器(TI)關(guān)于常見接口中的結(jié)電容的推薦值。

 

表2.2 常見接口中TVS結(jié)電容推薦表

 

2.8 動態(tài)電阻 R D Y N R_{DYN} RDYN

動態(tài)電阻是當(dāng)導(dǎo)致?lián)舸┑姆聪螂妷菏┘拥絋VS時，V-I曲線上兩個指定高電流點(diǎn)處的電流斜率，即： R D Y N = ( V C − V B R ) I P P (3) R_{DYN}=\frac{(V_C-V_{BR})}{I_{PP}}\tag{3} RDYN=IPP(VC−VBR)(3)

 

 

三、TVS選型

3.1 選擇最大反向工作電壓

在電路正常工作情況下，TVS應(yīng)該處于截止?fàn)顟B(tài)，即TVS的 V R W M V_{RWM} VRWM應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓；但是，如果TVS的工作電壓 V R W M V_{RWM} VRWM選取過大，會導(dǎo)致鉗位電壓 V C V_C VC過大，而超過電路的最高瞬態(tài)耐受電壓。所以在選擇 V R W M V_{RWM} VRWM時，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級電路的承受能力：

V R W M = ( 1.1 ∼ 1.2 ) V C C (4) V_{RWM}=(1.1\sim1.2)V_{CC}\tag{4} VRWM=(1.1∼1.2)VCC(4)

 

其中 V C C V_{CC} VCC為電路的最高工作電壓。

 

對于會被漏電流影響的電路，如模擬采樣、低功耗等電路， V R W M V_{RWM} VRWM應(yīng)盡量選擇大一點(diǎn)，以保證TVS在正常工作電壓下的漏電流不會影響電路工作。

 

3.2 選擇箝位電壓

箝位電壓 V C V_C VC應(yīng)小于后級被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓；否則，當(dāng)TVS鉗在 V C V_C VC時會對電路造成損壞。

 

對于浪涌管，箝位電壓 V C V_C VC的選擇可參考以下公式：

V C = V C ( m a x ) = ( 1.2 ∼ 1.5 ) V C C (5) V_C=V_{C(max)}=(1.2\sim1.5)V_{CC}\tag{5} VC=VC(max)=(1.2∼1.5)VCC(5) V C < V M A X (6) V_C<V_{MAX}\tag{6} VC<VMAX(6)

 

其中 V M A X V_{MAX} VMAX為電路能承受的最高瞬態(tài)電壓，根據(jù)周文俊、王繼業(yè)等人在2001年發(fā)表的《常用通信接口芯片過電壓耐受能力》，可知微電子器件最低耐受電壓建議采用1.5倍正常工作電壓作為其過電壓保護(hù)器件的最高殘壓。

 

對于ESD管，箝位電壓 V C V_C VC的選擇可參考以下公式：

V C = V C @ E S D = ( 1.2 ∼ 1.5 ) V C C (7) V_C=V_{C@ESD}=(1.2\sim1.5)V_{CC}\tag{7} VC=VC@ESD=(1.2∼1.5)VCC(7) V C < V M A X (8) V_C<V_{MAX}\tag{8} VC<VMAX(8)

 

式中 V M A X V_{MAX} VMAX為電路能承受的最高瞬態(tài)電壓； V C @ E S D V_{C@ESD} VC@ESD為ESD管承受相應(yīng)等級的靜電接觸放電時的箝位電壓，如果該參數(shù)data sheet中沒有明確給出，也可以通過傳輸線脈沖(TLP)響應(yīng)曲線來找到與靜電等級對應(yīng)的箝位電壓，這是因?yàn)門LP曲線與IEC61000-4-2波形具有相似的特性。

 

 

TLP電流與靜電等級對應(yīng)關(guān)系如表4.1所示。

 

表4.1 ESD等級與TLP測試電流對應(yīng)表

 

3.3 選擇額定瞬態(tài)功率

ESD管選型時，通常data sheet中會直接說明抗靜電能力，所以基本不需要考慮額定瞬態(tài)功率；但是對浪涌管來說，額定瞬態(tài)功率是一個非常重要的參數(shù)。

 

理論上，TVS的額定瞬態(tài)功率越大，其能夠承受的沖擊能量和次數(shù)越多；但是功率越大，封裝越大，成本也越高；所以TVS的額定瞬態(tài)功率只需要滿足測試要求：大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率即可。

 

電路中最大瞬態(tài)浪涌功率通常是根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境(可參考GB/T 17626.5附錄A)或者用戶自定義的浪涌等級來選擇的。則假設(shè)實(shí)際電路中最大測試電流為 I P P I_{PP} IPP，則 I P P I_{PP} IPP可估算為：

I P P = U P P / R i (9) I_{PP}=U_{PP}/R_i\tag{9} IPP=UPP/Ri(9)

 

其中 U P P U_{PP} UPP為測試電壓，即浪涌等級； R i R_i Ri為測試內(nèi)阻，通常電源線差模測試為2Ω，電源線共模測試為12Ω，通信線為42Ω。

 

通過上式計算出脈沖峰值電流后，再通過下式計算出電路中的最大瞬態(tài)浪涌功率。

P P K = I P P ∗ V C ( m a x ) (10) P_{PK}=I_{PP}*V_{C(max)}\tag{10} PPK=IPP∗VC(max)(10)

 

所以浪涌管的額定瞬態(tài)功率稍大于上述計算出的最大瞬態(tài)浪涌功率即可。

 

如式(2)，浪涌管的額定瞬態(tài)功率還和設(shè)備的工作溫度有關(guān)，所以選型時需要按照溫度降額曲線來選擇；另外實(shí)際使用中可以再預(yù)留一定比例(30%~50%)的余量。

 

根據(jù)公式計算的脈沖峰值功率在極短的時間內(nèi)對TVS是不可重復(fù)施加的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，浪涌通常是重復(fù)地出現(xiàn)。所以，即使單個脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復(fù)施加，這些單個脈沖能量積累起來，在某些情況下，也會超過TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至超過TVS器件的脈沖能量額定值。

 

3.4 選擇結(jié)電容

在高速信號的防護(hù)中，若TVS的結(jié)電容過大則會影響信號正常通訊，此時選擇一個合適的結(jié)電容則是至關(guān)重要的，常見信號接口結(jié)電容選型可參考表2.2。

 

有時為了獲得較大的 P P P M P_{PPM} PPPM，TVS的結(jié)面積就會增加，從而導(dǎo)致寄生電容也增加；這時可以通過TVS的串并聯(lián)設(shè)計來降低TVS的寄生電容，

 

四、示例

整機(jī)直流工作電壓12V，浪涌源的阻抗50MΩ，其干擾波形為方波， T P = 1 m S T_P=1mS TP=1mS，最大峰值電流50A。

 

先從工作電壓12V選取最大反向工作電壓 V R W M = 13 V V_{RWM}=13V VRWM=13V；

 

從最大反向工作電壓選取最大箝位電壓 V C ( m a x ) = 1.5 ∗ V R W M = 19.5 V V_{C(max)}=1.5*V_{RWM}=19.5V VC(max)=1.5∗VRWM=19.5V，取 V C ( m a x ) = 18 V V_{C(max)}=18V VC(max)=18V；

 

再從箝位電壓 V C V_C VC和最大峰值電流 I P I_P IP計算出方波脈沖功率： P P P = V C ∗ I P = 18 ∗ 50 = 900 W P_{PP}=V_C*I_P=18*50=900W PPP=VC∗IP=18∗50=900W；

 

將方波脈沖功率轉(zhuǎn)換為 T P = 1 m S T_P=1mS TP=1mS指數(shù)波的峰值功率，折合系數(shù) K 1 = 1.4 K_1=1.4 K1=1.4， P P P = 900 ÷ 1.4 = 643 W P_{PP}=900÷1.4=643W PPP=900÷1.4=643W；

 

再考慮溫度因素(62.5℃時 K 2 = 0.7 K_2=0.7 K2=0.7)，峰值脈沖功率為 P P P = 643 ÷ 0.7 = 924 W P_{PP}=643÷0.7=924W PPP=643÷0.7=924W，所以取 P P P = 1000 W P_{PP}=1000W PPP=1000W；

綜上，選擇的TVS參數(shù)為： V R W M = 13 V ， V C ( m a x ) = 18 V ， P P P = 1000 W @ 10 / 1000 u S V_{RWM}=13V，V_{C(max)}=18V，P_{PP}=1000W@10/1000uS VRWM=13V，VC(max)=18V，PPP=1000W@10/1000uS；