TVS管相关知识总结-电子发烧友网

大家好，这里是大话硬件。

这周四在公司见了一个供应商，他们主要做防护器件，产品用在汽车电子上比较多。在聊天的过程中了解到他们做得最好的是TVS。一年的销售额大概在几个亿。有自己的研发场地和晶圆厂，目前半导体竞争还是比较激烈，还不是我司的主力供货商，但这并不影响我问他们专业的问题。

这里其实有个容易被很多硬件工程师忽视的点——对供应商的“管控”能力也是硬件工程师必备技能之一。这里的“管控”并不是需要去管理供应商，而是和他们创造一种和谐的合作氛围。在新技术迭代，芯片遇到问题了，新方案评估，平时遇到不懂的专业问题，供应商是我们的资源和请教问题的对象。

因此，这篇文章就分享总结TVS相关内容。

1.TVS管介绍

瞬变电压抑制二极管也被称为TVS管，英文名Transient Voltage Suppression，从TVS的中文名可以看出，TVS管对电压的响应速度比较快，而且能够抑制电压的变化，且属于二极管中的一种器件。因此，TVS管会被用在电压钳位的场合。

瞬态电压抑制器的工作类似于普通的稳压管，是钳位型的干扰吸收器。其应用是与被保护设备并联使用，瞬态电压抑制器具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力，瞬态电压抑制器可用于保护设备或电路免受静电，电感性负载切换时产生的瞬变电压以及感应所产生的过电压。

TVS管的工作原理：TVS管和被保护电路并联，当电压超过TVS管的钳位电压时，TVS管立马开始工作导通，将大部分电流通过自身低阻抗分流到地上，且此时TVS管两端的电压被钳位在某一个固定的值，以至于不会因为过压而损坏后级被保护的电路，当过电压消失后，TVS管由钳位工作状态变为不工作的状态，此时TVS管不会动作，电路恢复正常。

结合器件参数，可以表述为：在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压上升到击穿电压而被击穿，随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流。同时在其两端的电压被钳位到预定的最大钳位电压以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲干扰，保护电路的过程。

整个过程工作原理示意图如下：

TVS管器件有直插型封装，贴片，单向，双向，具体如下图所示：

从上面的实物外形可以看出，TVS管的封装和二极管的封装基本一致，也正好说明了TVS管是属于二极管中的一种类型。既然TVS管是属于二极管，那么TVS管的伏安特性曲线肯定和二极管有相似的地方。

TVS transientvoltage suppressor 是基于半导体硅材料，通过功率半导体工艺加工完成的，能够起到瞬态电压防护的一种半导体器件

常规的TVS处理的电压范围从5v~550V，电流从几A~几百A。（10/1000us）不等。TVS是干精细活的器件，主要应用于ESD，浪涌二次侧的防护。

TVS管内部的结构如下图所示：

2.TVS管伏安特性曲线

由于TVS管有单向和双向之分，单向可以看成是在双向的基础上增加一个二极管，因此伏安特性曲线以分析双向为主。

从下面的双向TVS管伏安特性曲线可以看出，两边是对称的，在分析的时候，只需要关注一边的特性即可。

根据TVS管的伏安特性曲线可以知，当电压没有超过某个值是VRWM，此时流过TVS管的电流很小，当电压超过VC时，此时流过TVS管的电压基本不变，而流过的电流瞬间增大，因此可以起到电压钳位的作用。在下面的小节中将对TVS管伏安特性曲线上的参数进行详细的说明。

3. TVS管关键参数

下面是君耀电子的P6SMB型的TVS管器件参数

下面是音特电子SMF型TVS管的规格书

从上面两份规格书可以看出，TVS管几个关键的参数分别为：

（1)Reverse Stand-off VoltageVRWM(V)

这个参数是TVS管的可承受的反向电压，一般是写成VRWM，解释为Peak Reverse Working Voltage，反向工作电压，最大工作电压，截止电压等等。也就是当施加在TVS管两端的电压，不会引起TVS管工作，这个电压是直流电压或者交流电压峰值，在VRWM电压下，TVS管认为是不导通的。TVS的最大额定直流工作电压参数，也可被认为是所保护电路的工作电压。

（2） Reverse Leakage @RWM IR(uA)

IR被称为漏电流，待机电流。在伏安曲线上可以看到，这个IR对应的电压是Vrwm，也就是IR所测试到的条件，此时TVS管工作在截止状态。IR是在最高不工作电压下测到的电流，如果加在TVS管两端的电压降低，此漏电流会减小，同时温度也会对其产生影响。

VRWM和IR的测试方法如下图所示

在君耀电子和手册中有提到，当WRMM<10V时，对于同功率和同电压的TVS，双向TVS管的漏电流是单向的2倍，因此在做低功耗设备中，如果对漏电流要求比较高，单向的漏电流会更小。

（3）Breakdown VoltageMIN@IT MAX@IT VBR(V)

VBR被称为击穿电压，击穿电压是指在I-V曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或者接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。TVS在此阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。从规格书上可以看出，对于7V以下的TVS管，君耀电子和音特电子所给的测试电流均为10mA，对于7V以上的TVS管，所给的测试电流为1mA。因此在进行测试击穿电压时，IT电流并不是固定的，目前从数据手册可以看出存在1mA和10mA的差异。其原因是低压的TVS漏电流较大，因此测试的电路也要更大一点。

同时，在对VBR进行描述时，存在最小和最大的差异，说明TVS管的击穿电压存在一定的偏差，偏差值大概在±5%左右，测量时，VBR落在min和max之间视为合格品。

测试VBR的电路图如下图所示：

（4）Maximum Clamping Voltage @IPPVc(V)

Vc是TVS管比较重要的一个参数，最大钳位电压，这个电压是指在TVS管两端施加规定的IPP脉冲电流时，在TVS管两端测得的峰值电压。当TVS管承受瞬态高能量冲击时，管子中流过大电流峰值为IPP，端电压VBR上升到VC值就不再上升了，从而实现了保护作用。如果将TVS放在电路中进行保护，那么钳位电压不能超过后级正常工作电压，否则即使TVS管动作了，后级还是因为钳位的电压太高，而无法对后级电路起到作用。因此Vc经常作为选型的一个重要参数。

在TVS管的曲线上可以看到，在较大范围内，电流存在明显的变化，从IT到IPP，但是VC电压变化并不大，正是这部分的特性才让TVS管抑制电压的作用。只有VC变化很小，才能起到钳位电压的作用。

（5）Peak pulse current IPP(A)

峰值脉冲电流，是指给定脉冲波形的峰值，代表TVS允许流过的最大浪涌电流。IPP越大，器件的结电容越大，这个参数反映了TVS的浪涌承受能力。

在对TVS管进行测试时，一般选用10/100us电流波形，也就是IPP是对应波形的电流峰值。施加的IPP波形如下图所示：

从规格书中可以看出，TVS管的截止电压越高，IPP的值越小。TVS管测试IPP和VC的电路如下图所示。

根据规格书可知，IPP和VC是一对相关联的参数，施加脉冲电流的峰值得到VC。如果两个同型号的器件， IPP一样，那么VC越小，证明其钳位特性越好。如果同型号的器件，IPP越大，证明耐冲击电流越强。

（6） Test current IT(mA)

测试电流，在该电流下测试TVS管的击穿电压。

TVS管参数总结：从上面的六个参数可以看出，包含3个电压和3个电流，其中对应关系如下：可以发现关键电流单位从uA到A，电压都是V

电压	VRWM/V	VBR/V	VC/V
电流	IR/uA	IT/mA	Ipp/A
含义	截止电压—漏电流	击穿电压—测试电流	钳位电压—脉冲电流

（7）结电容

TVS管存在结电容，参数的大小由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHZ频率下测得的。结电容的大小与TVS电流承受能力成正比，结电容太大将使信号衰减。

4 TVS管选型

TVS管选型可以按照下面的步骤进行。

第一步：根据保护电路工作电压，确定器件反向关断电压；

第二步：明确防护电路的最大工作电压VRWM，TVS管的方向关断电压VRWM与最大工作电压关系如下：直流供电：VRWM>V工作；交流供电：VRWM>V工作*1.414；最大工作电压V工作需要按电源口特性测试要求的最大值来选择。考虑到TVS的VRWM±有10%的波动，如果是15V，也不能选18V，必须选20V或者24V。

第三步：击穿电压和V工作电压之间的关系可借鉴经验公式VBRmin>1.2Um，或者VRWM>1.1Um 。其中Um为电路的工作电压峰值，直流时Um=Udc，交流时Um>1.414Uac

第四步：根据防护器件需求，确定TVS管钳位电压和功率参数

TVS管的最大钳位电压在选择时一般有下面的公式可以参考VCMAX>(1.5~2)*VRWM。反相关断电压和通流量IPP确定后，TVS管需要满足最小峰值功率Pw>VCMAX*IPP=(1.5~2)*VRWM*IPP。如果需要保留功率较大的降额，在满足防护要求的情况下增加TVS管器件功率值，以达到更大的防护性能，对于不同的浪涌电流波形，需要做TVS管的等效功率换算。TVS管作为第二级保护时，一般使用500~600W的功率就可以满足要求，而且Vc最大钳位电压要不大于被保护电路所承受的最大浪涌电压。

第五步：根据防护电路工作频率确定TVS管结电容

根据防护电路工作频率确定TVS管结电容信号接口考虑。防护电路的工作和能加在线路上的对地电容有关系，既要考虑到信号的防护需求，也要考虑到防护器件会改变信号上升沿的时间，进而影响时序。一般来讲对于信号接口线路的频率与结电容可以参考下表