1.1TVS管1.1.1TVS管简介对于电子产品而言，保护电路是为了防止电路中的关键敏感型器件受到过流、过压、过热等冲击的损害。

保护电路的优劣对电子产品的质量和寿命至关重要。

瞬态抑制二极管(TVS，TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同，外形也与普通二极管无异。

它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压钳制在预定水平，其响应时间仅为10-12秒级，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。

Figure 1TVS管外形目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表（电度表）、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。

TVS并联于线路用于瞬间突波抑制。

在正常工作状态下TVS对受保护器件呈高阻抗状态，不影响线路的正常工作，当有异常的过电压脉冲超过其击穿电压时，TVS由高阻状态变为低阻状态，提供的一个低阻抗路径使流向被保护元器件的瞬间电流转而分流到TVS二极管，瞬间的浪涌电流经TVS管泄放掉，同时把电压精确的限制到一个安全的水平，当异常过电压消失后，TVS立即恢复到高阻状态。

Figure 2 单向TVS管工作原理A.按极性分为：单极性和双极性两种；B.按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列（适用多线保护）、贴片式、组件式和大功率模块式等。

C.按用途可分为：各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。

1.1.3TVS管伏-安特性如图所示，单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿，为典型的PN结雪崩器件。

从击穿点到VC值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值，并保持在这一水平上。

双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，正反两面击穿电压的对称关系为：0.9≤VBR(正)/VBR(反)≤1.1，一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压VC就会立刻被抑制掉，双向TVS在交流回路应用十分方便。

Figure 3单向TVS管伏安特性Figure 4双向TVS管伏安特性S管具有响应时间快、瞬态功率大、电容低、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小、易于安装等优点；B.将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵；C.电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导至损坏。

利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰（Crosstalk）；D.将TVS二极管放置在信号线及地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。

1.1.5TVS管主要参数1)击穿电压V BR器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流IT下，测得器件两端的电压称为击穿电压，在此区域内，二极管成为低阻抗的通路。

2)最大反向脉冲峰值电流I PP在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。

Figure 5TVS管脉冲峰值电流3)最大反向工作电压V RWM（或变位电压）器件反向工作时，在规定的I R下，器件两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。

通常V RWM=（0.8～0.9）VBR。

在这个电压下，器件的功率消耗很小。

使用时，应使VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压。

注意：选型时应使Vrwm不低于被保护器件或线路的正常工作电压。

一般会Vop < Vrwm< 85%*Vc，以便TVS接入电路而不影响正常电路工作。

为了满足 IEC61000-4-2 国际标准，TVS 二极管必须达到可以处理最小 8kV( 接触 ) 和 15kV( 空气 ) 的 ESD 冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。

Figure 6 浪涌及静电测试波形4)最大箝位电压V C(max )在脉冲峰值电流I PP作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。

使用时，应使V C(max )不高于被保护器件的最大允许安全电压。

最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数。

即：箝位系数=V C(max )/V BR，一般箝位系数为1.3左右。

5)反向脉冲峰值功率P PRTVS的P PR取决于脉冲峰值电流I PP和最大箝位电压VC(max )，除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。

当脉冲时间Tp 一定时，P PR=K1‧K2‧V C(max )‧I PP，式中K1为功率系数，K2为功率的温度系数。

Figure 7TVS管功率系数K1这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。

但是，在实际的应用中，浪涌通常是重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但若重复施加这些单个的脉冲能量积累起来，在某些情况下，也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。

因此，电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件，使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。

E=∫i(t)‧V(t)dt 式中：i(t)为脉冲电流波形，V(t) 为箝位电压波形。

Figure 8脉冲峰值功率与脉冲时间的关系Figure 9脉冲峰值功率降额曲线6)电容CPP主要是指TVS连接GND和I/O时，具有的电容值。

Cd为ESD/TVS器件的引脚寄生电容，通信速率越高，线路上使用的ESD保护器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。

电容量C是由 TVS 雪崩结截面决定的，是在特定的 1MHz 频率下测得的。

C 的大小与TVS 的电流承受能力成正比， C 太大将使信号衰减。

因此， C 是数据接口电路选用TVS 的重要参数。

电容对于数据、信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。

高频回路一般选择电容应尽量小 ( 如 LCTVS 、低电容 TVS ，电容不大于 3pF) ，而对电容要求不高的回路电容选择可高于 40pF。

7)漏电流IR当最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管有一个漏电流IR，当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流是一个重要的参数。

1.1.6TVS管选用原则A.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；S额定反向关断VWM应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；Figure 10脉冲峰值功率降额曲线S的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压；Figure 11脉冲峰值功率降额曲线D.在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PPM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。

在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流；E.Vc、Ipp反映了TVS器件的浪涌抑制能力。

当TVS承受额定的瞬时峰值脉冲电流Ipp时，可能在器件上的瞬时最大电压值即最大箝位电压为Vc。

此时，如果脉冲时间为规定的标准值，则TVS的最大峰值脉冲功率为：Ppp=Vc*Ipp。

因此在选用TVS前，最好对线路中产生的脉冲类型有大致的了解，是单脉冲，还是复脉冲，脉冲的上升时间，脉宽，峰值等，以便确定Vc，Ipp，PM；F.对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容CPP的TVS器件。

；G.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；H.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％后击穿电压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。

1.1.7TVS管短路失效模式TVS失效模式有短路、开路和电特性退化等。

其中短路失效最为常见且对电路的影响最为严重。

TVS一旦发生短路失效,释放出的高能量常常会将保护的电子设备损坏。

TVS器件主要由芯片、电极系统和管壳3部分构成。

其中芯片是核心通常在单晶硅片上采用扩散工艺形成。

如果在TVS制造工艺工程中控制不良，则可能造成TVS器件的固有缺陷，使TVS成品率和可靠性降低，容易导致筛选或使用中失效。

1)引发TVS短路失效的主要内在质量因素A.芯片粘结界面空洞：引发TVS短路的最典型的原因是管芯与内引线组件、底座铜片烧结不良，在烧结界面出现大面积空洞。

空洞可能是由于焊料不均匀或粘结界面各层材料玷污、氧化使焊料沾润不良，造成烧焊时焊料与芯片或金属电极没有良好的熔合焊接引起的。

空洞面积较大时电流在烧结点附近汇聚，管芯散热困难，造成热电应力集中，产生局部热电，严重时引起热奔，使器件烧毁。

空洞面积较小时可加速焊料热疲劳，使焊料层会产生疲劳龟裂引起器件热阻增大，最终导致器件过热烧毁。

B.台面缺陷：TVS台面缺陷造成的失效常常是批次性的。

TVS制造工艺过程中造成芯片台面损伤的原因主要有芯片在酸蚀成型时用于氢氟酸、硝酸混合液配方过浓或过高而反应剧烈烧焊过后进行碱腐蚀清洗时腐蚀液浓度过大温度过高而造成碱腐蚀清洗过重。

C.表面强积累层或强反型层：即便TVS器件芯片台面完好，TVS短路失效也容易发生在表面。

这是由于晶体结构的周期性在表面上中断，加上半导体表面往往存在许多磨片、抛光、喷砂、切片等引起的晶格缺陷，吸附腐蚀时残留的化学品、气体或其它污染物会使半导体表面带电。

表面电荷被保护胶钝化并吸附或排斥半导体体内的自由载流子在pn结边缘形成表面积累层耗尽层或反型层等表面空间电荷层。

在外加电压的作用下强积累层或强反型层使pn结边缘电场强度大于体内pn结边缘部分在比额定击穿电压低的电压下便达到临界电场而发生载流子倍增效应，造成pn结边缘电流集中，功率密度过大，温度过高而烧毁。

D.芯片裂纹：芯片裂纹是引起TVS短路失效的一个重要内在质量因素。