一篇文章說清楚TVS管

大家好，這里是大話硬件。

這周四在公司見了一個(gè)供應(yīng)商，他們主要做防護(hù)器件，產(chǎn)品用在汽車電子上比較多。在聊天的過程中了解到他們做得最好的是TVS。一年的銷售額大概在幾個(gè)億。有自己的研發(fā)場地和晶圓廠，目前半導(dǎo)體競爭還是比較激烈，還不是我司的主力供貨商，但這并不影響我問他們專業(yè)的問題。

這里其實(shí)有個(gè)容易被很多硬件工程師忽視的點(diǎn)——對供應(yīng)商的“管控”能力也是硬件工程師必備技能之一。這里的“管控”并不是需要去管理供應(yīng)商，而是和他們創(chuàng)造一種和諧的合作氛圍。在新技術(shù)迭代，芯片遇到問題了，新方案評估，平時(shí)遇到不懂的專業(yè)問題，供應(yīng)商是我們的資源和請教問題的對象。

因此，這篇文章就分享總結(jié)TVS相關(guān)內(nèi)容。

1.TVS管介紹

瞬變電壓抑制二極管也被稱為TVS管，英文名Transient Voltage Suppression，從TVS的中文名可以看出，TVS管對電壓的響應(yīng)速度比較快，而且能夠抑制電壓的變化，且屬于二極管中的一種器件。因此，TVS管會(huì)被用在電壓鉗位的場合。

瞬態(tài)電壓抑制器的工作類似于普通的穩(wěn)壓管，是鉗位型的干擾吸收器。其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用，瞬態(tài)電壓抑制器具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，瞬態(tài)電壓抑制器可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電，電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓以及感應(yīng)所產(chǎn)生的過電壓。

TVS管的工作原理：TVS管和被保護(hù)電路并聯(lián)，當(dāng)電壓超過TVS管的鉗位電壓時(shí)，TVS管立馬開始工作導(dǎo)通，將大部分電流通過自身低阻抗分流到地上，且此時(shí)TVS管兩端的電壓被鉗位在某一個(gè)固定的值，以至于不會(huì)因?yàn)檫^壓而損壞后級被保護(hù)的電路，當(dāng)過電壓消失后，TVS管由鉗位工作狀態(tài)變?yōu)椴还ぷ鞯臓顟B(tài)，此時(shí)TVS管不會(huì)動(dòng)作，電路恢復(fù)正常。

結(jié)合器件參數(shù)，可以表述為：在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓上升到擊穿電壓而被擊穿，隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流。同時(shí)在其兩端的電壓被鉗位到預(yù)定的最大鉗位電壓以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖干擾，保護(hù)電路的過程。

整個(gè)過程工作原理示意圖如下：

TVS管器件有直插型封裝，貼片，單向，雙向；

從上面的實(shí)物外形可以看出，TVS管的封裝和二極管的封裝基本一致，也正好說明了TVS管是屬于二極管中的一種類型。既然TVS管是屬于二極管，那么TVS管的伏安特性曲線肯定和二極管有相似的地方。

TVS transient
voltage suppressor 是基于半導(dǎo)體硅材料，通過功率半導(dǎo)體工藝加工完成的，能夠起到瞬態(tài)電壓防護(hù)的一種半導(dǎo)體器件

常規(guī)的TVS處理的電壓范圍從5v~550V，電流從幾A~幾百A。（10/1000us）不等。TVS是干精細(xì)活的器件，主要應(yīng)用于ESD，浪涌二次側(cè)的防護(hù)。

TVS管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2. TVS管伏安特性曲線

由于TVS管有單向和雙向之分，單向可以看成是在雙向的基礎(chǔ)上增加一個(gè)二極管，因此伏安特性曲線以分析雙向?yàn)橹鳌?/p>

從下面的雙向TVS管伏安特性曲線可以看出，兩邊是對稱的，在分析的時(shí)候，只需要關(guān)注一邊的特性即可。

根據(jù)TVS管的伏安特性曲線可以知 ，當(dāng)電壓沒有超過某個(gè)值是VRWM， 此時(shí)流過TVS管的電流很小，當(dāng)電壓超過VC時(shí)，此時(shí)流過TVS管的電壓基本不變，而流過的電流瞬間增大，因此可以起到電壓鉗位的作用。在下面的小節(jié)中將對TVS管伏安特性曲線上的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說明。

3. TVS管關(guān)鍵參數(shù)

下面是君耀電子的P6SMB型的TVS管器件參數(shù)

下面是音特電子SMF型TVS管的規(guī)格書

從上面兩份規(guī)格書可以看出，TVS管幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)分別為：

（1)?Reverse Stand-off Voltage?VRWM(V)

這個(gè)參數(shù)是TVS管的可承受的反向電壓，一般是寫成VRWM，解釋為Peak Reverse Working Voltage，反向工作電壓，最大工作電壓，截止電壓等等。也就是當(dāng)施加在TVS管兩端的電壓，不會(huì)引起TVS管工作，這個(gè)電壓是直流電壓或者交流電壓峰值，在VRWM電壓下，TVS管認(rèn)為是不導(dǎo)通的。TVS的最大額定直流工作電壓參數(shù)，也可被認(rèn)為是所保護(hù)電路的工作電壓。

（2） Reverse Leakage @RWM ?IR(uA)

IR被稱為漏電流，待機(jī)電流。在伏安曲線上可以看到，這個(gè)IR對應(yīng)的電壓是Vrwm，也就是IR所測試到的條件，此時(shí)TVS管工作在截止?fàn)顟B(tài)。IR是在最高不工作電壓下測到的電流，如果加在TVS管兩端的電壓降低， 此漏電流會(huì)減小，同時(shí)溫度也會(huì)對其產(chǎn)生影響。

VRWM和IR的測試方法如下圖所示

在君耀電子和手冊中有提到，當(dāng)WRMM<10V時(shí)，對于同功率和同電壓的TVS，雙向TVS管的漏電流是單向的2倍，因此在做低功耗設(shè)備中，如果對漏電流要求比較高，單向的漏電流會(huì)更小。

（3）Breakdown Voltage??MIN@IT?? MAX@IT??? VBR(V)

VBR被稱為擊穿電壓，擊穿電壓是指在I-V曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流IT或者接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得TVS兩端的電壓。TVS在此阻抗驟然降低，處于雪崩擊穿狀態(tài)。從規(guī)格書上可以看出，對于7V以下的TVS管，君耀電子和音特電子所給的測試電流均為10mA，對于7V以上的TVS管，所給的測試電流為1mA。因此在進(jìn)行測試擊穿電壓時(shí)，IT電流并不是固定的，目前從數(shù)據(jù)手冊可以看出存在1mA和10mA的差異。其原因是低壓的TVS漏電流較大，因此測試的電路也要更大一點(diǎn)。

同時(shí)，在對VBR進(jìn)行描述時(shí)，存在最小和最大的差異，說明TVS管的擊穿電壓存在一定的偏差，偏差值大概在±5%左右，測量時(shí)，VBR落在min和max之間視為合格品。

測試VBR的電路圖如下圖所示：

（4）Maximum Clamping Voltage @IPP?Vc(V)

Vc是TVS管比較重要的一個(gè)參數(shù)，最大鉗位電壓，這個(gè)電壓是指在TVS管兩端施加規(guī)定的IPP脈沖電流時(shí)，在TVS管兩端測得的峰值電壓。當(dāng)TVS管承受瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，管子中流過大電流峰值為IPP，端電壓VBR上升到VC值就不再上升了，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)作用。如果將TVS放在電路中進(jìn)行保護(hù)，那么鉗位電壓不能超過后級正常工作電壓，否則即使TVS管動(dòng)作了， 后級還是因?yàn)殂Q位的電壓太高，而無法對后級電路起到作用。因此Vc經(jīng)常作為選型的一個(gè)重要參數(shù)。

在TVS管的曲線上可以看到，在較大范圍內(nèi)，電流存在明顯的變化，從IT到IPP，但是VC電壓變化并不大，正是這部分的特性才讓TVS管抑制電壓的作用。只有VC變化很小，才能起到鉗位電壓的作用。

（5）Peak pulse current?? IPP(A)

峰值脈沖電流，是指給定脈沖波形的峰值，代表TVS允許流過的最大浪涌電流。IPP越大，器件的結(jié)電容越大，這個(gè)參數(shù)反映了TVS的浪涌承受能力。

在對TVS管進(jìn)行測試時(shí)，一般選用10/100us電流波形，也就是IPP是對應(yīng)波形的電流峰值。施加的IPP波形如下圖所示：

從規(guī)格書中可以看出，TVS管的截止電壓越高，IPP的值越小。TVS管測試IPP和VC的電路如下圖所示。

根據(jù)規(guī)格書可知，IPP和VC是一對相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，施加脈沖電流的峰值得到VC。如果兩個(gè)同型號的器件， IPP一樣，那么VC越小，證明其鉗位特性越好。如果同型號的器件，IPP越大，證明耐沖擊電流越強(qiáng)。

（6） Test? current ?IT(mA)

測試電流，在該電流下測試TVS管的擊穿電壓。

TVS管參數(shù)總結(jié)：從上面的六個(gè)參數(shù)可以看出，包含3個(gè)電壓和3個(gè)電流，其中對應(yīng)關(guān)系如下：可以發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵電流單位從uA到A，電壓都是V

（7） 結(jié)電容

TVS管存在結(jié)電容，參數(shù)的大小由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHZ頻率下測得的。結(jié)電容的大小與TVS電流承受能力成正比，結(jié)電容太大將使信號衰減。

4 TVS管選型

TVS管選型可以按照下面的步驟進(jìn)行。

第一步：根據(jù)保護(hù)電路工作電壓，確定器件反向關(guān)斷電壓；

第二步：明確防護(hù)電路的最大工作電壓VRWM，TVS管的方向關(guān)斷電壓VRWM與最大工作電壓關(guān)系如下：直流供電：VRWM>V工作；交流供電：VRWM>V工作*1.414；最大工作電壓V工作需要按電源口特性測試要求的最大值來選擇?？紤]到TVS的VRWM±有10%的波動(dòng)，如果是15V，也不能選18V，必須選20V或者24V。

第三步：擊穿電壓和V工作電壓之間的關(guān)系可借鑒經(jīng)驗(yàn)公式VBRmin>1.2Um，或者VRWM>1.1Um 。其中Um為電路的工作電壓峰值，直流時(shí)Um=Udc，交流時(shí)Um>1.414Uac

第四步：根據(jù)防護(hù)器件需求，確定TVS管鉗位電壓和功率參數(shù)

TVS管的最大鉗位電壓在選擇時(shí)一般有下面的公式可以參考VCMAX>(1.5~2)*VRWM。反相關(guān)斷電壓和通流量IPP確定后，TVS管需要滿足最小峰值功率Pw>VCMAX*IPP=(1.5~2)*VRWM*IPP。如果需要保留功率較大的降額，在滿足防護(hù)要求的情況下增加TVS管器件功率值，以達(dá)到更大的防護(hù)性能，對于不同的浪涌電流波形，需要做TVS管的等效功率換算。TVS管作為第二級保護(hù)時(shí)，一般使用500~600W的功率就可以滿足要求，而且Vc最大鉗位電壓要不大于被保護(hù)電路所承受的最大浪涌電壓。

第五步：根據(jù)防護(hù)電路工作頻率確定TVS管結(jié)電容

根據(jù)防護(hù)電路工作頻率確定TVS管結(jié)電容信號接口考慮。防護(hù)電路的工作和能加在線路上的對地電容有關(guān)系，既要考慮到信號的防護(hù)需求，也要考慮到防護(hù)器件會(huì)改變信號上升沿的時(shí)間，進(jìn)而影響時(shí)序。一般來講對于信號接口線路的頻率與結(jié)電容可以參考下表

以上信號線傳輸速率與節(jié)電容關(guān)系為一般推薦值，具體大小和實(shí)際應(yīng)用與單板信號速率，信號質(zhì)量要求，傳輸距離等相關(guān)，在應(yīng)用過程中需要實(shí)測波形數(shù)據(jù)來最終確定，同時(shí)需要考慮多節(jié)點(diǎn)應(yīng)用結(jié)電容對信號功能影響的提示。

5.TVS管選型注意事項(xiàng)

反向關(guān)斷電壓應(yīng)該大于等于保護(hù)電路最大工作電壓。VRWM>V工作

TVS管的最大箝位電壓一般為擊穿電壓的1.4倍左右，在電路設(shè)計(jì)中需要了解器件最大箝位電壓小于后級保護(hù)電路的最高承受電壓。

對于小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻或者串聯(lián)二極管，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，就有可能選用峰值功率較小的TVS管，峰值功率小的TVS管結(jié)電容小，可以實(shí)現(xiàn)對小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。（面積小，結(jié)電容?。?/p>

TVS管用于信號口靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足功能要求的情況下，針對TVS管功率無要求，基本上所有TVS管都可以滿足靜電抗干擾，最高等級空氣放電15K，接觸8K，測試要求。

在高速信號的接口采用TVS管進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意TVS管結(jié)電容的累積效應(yīng)，影響電路的正常通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

對于電源電路上應(yīng)用的TVS管的選型，除了要注意通流量需要有一定的余量設(shè)計(jì)之外，還要考慮電源電路，平時(shí)正常工作時(shí)的電壓波動(dòng)（直流存在±20%的波形，交流存在1.5~2倍的波動(dòng)）可能會(huì)導(dǎo)致TVS管路動(dòng)作，因此在選型時(shí)反向關(guān)斷電壓的選擇需要大于電路的最大波動(dòng)電壓。24V選36V

由于TVS管通流能量有限，因此TVS管一般情況下不單獨(dú)用于電源口的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)。

如果TVS管接地端應(yīng)用在需要打絕緣耐壓機(jī)殼地PGND上，需要滿足結(jié)緣耐壓500V AC的要求。

6.TVS管防護(hù)電路

TVS 由于具有響應(yīng)速度快，鉗位電壓低，電壓精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用于對保護(hù)器件要求較高的場合，如汽車電子、工業(yè)控制、照明，通信等行業(yè)，如 DC 電源線，RS485 接口，通信電源，I/O 口等。下面是一些典型應(yīng)用案例。