TVS二极管的工作原理、电参数特性以及选型原则

TVS二极管，作为一种先进的电路保护器件，以其迅速的响应时间和出色的浪涌吸收能力而备受青睐。这种

通过这种方式，TVS二极管能够将电压箝制在预定的安全水平上，有效保护电路中的其他元件不受瞬态高压尖峰脉冲的损害。

一、 TVS器件的工作原理

TVS二极管的工作原理与常见的稳压二极管相似，但在击穿电压超过其标称值时，TVS二极管会导通，并展现出更高的电流导通能力。当其两端遭受反向瞬态高能量冲击时，TVS二极管能以10^-12秒级的速度响应，迅速转变阻抗，并吸收高达数千瓦的浪涌功率，从而确保两极间的电压被箝制在一个安全值，保护电子线路中的精密元器件不受浪涌脉冲的破坏。

TVS二极管的核心工作原理是在电路遭受瞬间过压时，TVS器件能够迅速降低其内部阻抗，从而允许大量电流通过，并将电压限制在一个安全的预定水平。在反向应用条件下，当TVS器件遭遇高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗会立即降至非常低的水平，这一过程发生在极短的时间内，箝位响应时间可达到1ps（10^-12秒）。这种快速的响应能力使得TVS器件能够有效地吸收瞬时脉冲功率，其承受能力可达到上千瓦。

此外，TVS器件还能允许相当大的正向浪涌电流通过，在特定条件下（如温度T=25℃，时间T=10ms），这个电流值可以达到50至200安培。双向TVS器件能在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，这使得它们特别适用于交流电路。相比之下，单向TVS器件通常用于直流电路。

二、TVS器件的电特性

1、单向TVS二极管的V-I特性表现为，在其正向特性上与普通稳压二极管相似，而在反向特性上，当达到击穿电压时，会出现一个近似直角的硬击穿现象，这是典型的PN结雪崩器件特征。当电路遭受瞬时过压脉冲时，单向TVS的电流会急剧增加，同时反向电压会上升到箝位电压值，并维持在这一水平，从而保护电路不受损害。

2、双向TVS二极管的V-I特性则像是两个单向TVS二极管背靠背组合而成。这意味着它在正反两个方向上都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性。双向TVS的正反两面击穿电压之间存在对称关系，即正向击穿电压与反向击穿电压的比例在0.9到1.1之间。当两端施加的干扰电压超过箝位电压Vc时，双向TVS能够立即抑制这一电压，使其保持在安全水平。这种特性使得双向TVS非常适合用于交流电路的保护。

三、TVS器件的主要电性参数

1、击穿电压V(BR)：这是TVS二极管的一个重要参数，指的是在规定的试验电流I(BR)下，测得器件两端的电压。当达到这个电压时，TVS二极管会发生击穿，从而转变为低阻抗状态，允许大电流通过。
2、最大反向脉冲峰值电流IPP：这个参数描述了在反向工作时，TVS二极管能够承受的最大脉冲峰值电流。IPP与最大箝位电压Vc(MAX)的乘积决定了TVS的瞬态脉冲功率最大值。正确选择TVS，确保其额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率，是至关重要的。
3、最大反向工作电压VRWM：这是TVS二极管在反向工作时，在规定的IR下，器件两端的电压值。通常，VRWM的值在0.8到0.9倍的V(BR)之间。在这个电压下，TVS二极管的功率消耗很小，使用时应确保VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压。
4、最大箝位电压Vc(max)：这是在脉冲峰值电流Ipp作用下，TVS两端能达到的最大电压值。这个参数对于保护电路中的元件免受过高电压损害至关重要。
5、反向脉冲峰值功率PPR：这个参数取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压Vc(max)，同时还受脉冲波形、脉冲时间及环境温度的影响。PPR是衡量TVS保护能力的重要指标。
6、电容CPP：TVS的电容由硅片的面积和偏置电压决定。在零偏情况下，随着偏置电压的增加，电容值会下降。电容的大小直接影响TVS器件的响应时间，因此在某些应用中需要特别注意。
7、漏电流IR：当最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管会有一个漏电流IR。在高阻抗电路中，这个漏电流是一个重要的考虑因素，因为它可能会影响电路的整体性能。

四、TVS器件的分类

TVS二极管根据不同的分类标准，可以分为多种类型：

1、按极性分类：
单极性TVS二极管：仅在一个方向上提供保护，适用于直流电路。
双极性TVS二极管：在正反两个方向上都能提供保护，适用于交流电路。
2、按用途分类：
通用型TVS二极管：适用于多种电路保护场合。
专用型TVS二极管：为特定应用或行业设计的TVS二极管，如用于汽车电子、医疗设备等。
3、按封装和内部结构分类：
轴向引线二极管：传统的封装形式，峰值功率可达400W、500W、600W、1500W和5000W，适用于电源馈线等高功率应用。
双列直插TVS阵列：适用于多通道保护，方便安装在印刷电路板上。
贴片式TVS二极管：表面贴装技术（SMT）封装，适用于高密度安装场合，如便携式设备。
大功率模块：专门设计用于高功率应用，如电源保护。

不同类型的TVS二极管适用于不同的电路保护需求，选择合适的TVS二极管对于确保电路的稳定性和安全性至关重要。

五、TVS器件的选型原则

在选择TVS二极管时，需要考虑以下几个关键因素以确保电路的有效保护：

1、极性选择：如果电路可能遭受来自两个方向的尖峰脉冲电压（浪涌电压）冲击，应选择双极性TVS二极管。否则，可以选择单极性TVS二极管。
2、箝位电压Vc：所选TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压，即ESD冲击状态时通过TVS的电压。这个电压不能超过被保护回路的可承受极限电压，以避免损坏器件。正常工作状态：TVS在正常工作状态下不应处于击穿状态，最好处于最大反向工作电压VR以下。选择时应综合考虑VR和VC两方面的要求。
3、峰值脉冲功耗PPR：如果已知精确的浪涌电流IPP，可以利用Vc和Ipp来确定功率。如果无法确定IPP的范围，应选择功率较大的TVS。PPR是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。
4、脉冲重复频率：TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，其规定的脉冲重复频率为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，以免损坏TVS。
5、限流电阻：对于小电流负载的保护，可以在电路中增加限流电阻，以减小干扰电流，从而可能选择峰值功率较小的TVS进行保护。
6、电容量C：TVS的电容量由其雪崩结截面决定，在特定频率（如1 MHz）下测得。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，但过大的电容会使信号衰减。因此，在数据接口电路中，需要根据回路的特性来选择合适的电容范围。
7、IEC61000-4-2标准：TVS二极管必须能够处理至少8 KV（MB，接触）和15 kV（BM，空气）的ESD冲击，以满足IEC61000-4-2国际标准。对于有特殊要求的便携设备应用，设计者可以根据需要选择更高标准的器件。