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

工作原理

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

當TVS的反向電壓小于工作電壓VRWM時，TVS處于高阻態，基本可認為不導通；當TVS的反向電壓大于擊穿電壓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TVS受到反向瞬態高壓尖峰脈沖沖擊時，TVS以ps級的速度由高阻抗變為低阻抗，將大部分的能量快速吸收，并且鉗位電壓由擊穿電壓上升至最大箝位電壓VC，隨著脈沖電流呈指數下降，鉗位電壓也逐漸下降，恢復到原來狀態，有效地保護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。下圖是TVS受到+8KV的ESD沖擊時的電壓波形：

下圖是TVS受到峰值電流IPP為62A的浪涌(8/20uS)沖擊時的電壓波形：

關鍵參數

TVS關鍵的參數有最大反向工作電壓、漏電流、擊穿電壓、最大反向脈沖峰值電流、最大鉗位電壓、脈沖峰值功率、結電容和動態電阻。

1、最大反向工作電壓VRWM

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

為了不影響電路正常工作，應使VRWM不低于被保護器件或線路的正常工作電壓；從漏電的角度考慮，特別是超低功耗產品設計中，VRWM與被保護信號的工作電壓差值越大，漏電流則越小。

2、漏電流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，IR是個uA級以下的小電流，此時TVS管只有很小的功耗。

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

3、擊穿電壓VBR

擊穿電壓就是當TVS管反向工作電流為IBR(一般IBR為1mA~10mA)時，TVS管兩端的電壓值。擊穿電壓是TVS管導通的標志，當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 RWM =(0.80.9)VBR~

4、最大脈沖峰值電流IPP

最大反向脈沖峰值電流是指TVS按照IEC61000-4-5或GB/T 17626.5標準，使其工作在規定的電流脈沖(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-時間曲線進行轉換，來獲得10/1000uS脈沖波形的峰值電流。在ESD5651N的PPPM和Td的關系圖可以看出，在1000uS時，峰值功率大致為65W，并且又因為TVS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中沒有上述關系圖的TVS，可以按照保守點的經驗值估算： 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 。

5、最大箝位電壓VC(max)

最大箝位電壓是指在峰值電流為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，VC(max)應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓，否則后級被保護電路將損壞。

最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝位系數，即：箝位系數=VC(max)/VBR，一般箝位系數為1.3左右。

當對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時間。

6、脈沖峰值功率PPK

脈沖峰值功率是指在規定的脈沖條件下，TVS瞬間能承受的最大功率值，反映了TVS浪涌抑制能力。TVS的PPK取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓VC(max)，但是除此以外，還和脈沖波形、脈沖時間及環境溫度有關。

所以最終TVS的脈沖峰值功率計算公式為：

PPK=(K1K2IPP*VCmax)/K3

式中K1為功率系數，K2為溫度系數，K3為時間系數。

功率系數K1取值如表2.1，8/20uS的電流波可認為是標準波。

表2.1 常見波形的功率系數

溫度系數K2可通過data sheet中的功率降額 VS 環境溫度曲線直接獲取。

時間系數K3可根據峰值脈沖功率-時間曲線直接按比例轉換。

7、結電容CPP

結電容是指TVS的寄生電容，它由PN結面積和反向電壓決定。同一個系列的TVS，功率越大，結面積就越大，寄生電容也越大；同一個TVS的結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估算及應用》可知，結電容的大小會影響TVS的響應時間，電容越大，TVS響應時間越長。

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

表2.2 常見接口中TVS結電容推薦表

8、動態電阻RDYN

動態電阻是當導致擊穿的反向電壓施加到TVS時，V-I曲線上兩個指定高電流點處的電流斜率，即：

RDYN=(VC-VBR)/IPP

TVS選型

1、選擇最大反向工作電壓

在電路正常工作情況下，TVS應該處于截止狀態，即TVS的VRWM應大于被保護電路的最高工作電壓；但是，如果TVS的工作電壓VRWM選取過大，會導致鉗位電壓VC過大，而超過電路的最高瞬態耐受電壓。所以在選擇VRWM時，要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力：

VRWM=(1.1~1.2)VCC

其中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，VRWM應盡量選擇大一點，以保證TVS在正常工作電壓下的漏電流不會影響電路工作。

2、選擇箝位電壓

箝位電壓VC應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓；否則，當TVS鉗在VC時會對電路造成損壞。

對于浪涌管，箝位電壓VC的選擇可參考以下公式：

VC=VC(max)=(1.2~1.5)VCC

VC

其中VMAX為電路能承受的最高瞬態電壓，根據周文俊、王繼業等人在2001年發表的《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器件的最高殘壓。

對于ESD管，箝位電壓VC的選擇可參考以下公式：

VC=VC@ESD=(1.2~1.5)VCC

VC

式中VMAX為電路能承受的最高瞬態電壓；VC@ESD為ESD管承受相應等級的靜電接觸放電時的箝位電壓，如果該參數data sheet中沒有明確給出，也可以通過傳輸線脈沖(TLP)響應曲線來找到與靜電等級對應的箝位電壓，這是因為TLP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關系如表4.1所示。

表4.1 ESD等級與TLP測試電流對應表

3、選擇額定瞬態功率

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功率；但是對浪涌管來說，額定瞬態功率是一個非常重要的參數。

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

電路中最大瞬態浪涌功率通常是根據產品的使用環境(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。則假設實際電路中最大測試電流為IPP，則IPP可估算為：

IPP=UPP/Ri

其中UPP為測試電壓，即浪涌等級；Ri為測試內阻，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，參考表3.3；

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浪涌功率。

PPK=IPP*VC(max)

所以浪涌管的額定瞬態功率稍大于上述計算出的最大瞬態浪涌功率即可。如式2.2，浪涌管的額定瞬態功率還和設備的工作溫度有關，所以選型時需要按照功率-溫度降額曲線來選擇；另外實際使用中可以再預留一定比例(30%~50%)的余量。

根據公式計算的脈沖峰值功率在極短的時間內對TVS是不可重復施加的，但是在實際應用中，浪涌通常是重復地出現。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，電路設計必須在這點上認真考慮和選用TVS器件，使其在規定的間隔時間內，重復施加脈沖能量的累積不至超過TVS器件的脈沖能量額定值。

4、選擇結電容

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

有時為了獲得較大的PPPM，TVS的結面積就會增加，從而導致寄生電容也增加；這時可以通過TVS的串并聯設計來降低TVS的寄生電容，詳情可參考《簡述如何減小TVS寄生電容的應用》。

5、示例

整機直流工作電壓12V，浪涌源的阻抗50MΩ，其干擾波形為方波，TP=1mS，最大峰值電流50A。

1、先從工作電壓12V選取最大反向工作電壓VRWM=13V；

2、從最大反向工作電壓選取最大箝位電壓VC(max)=1.5*VRWM=19.5V，取VC(max)=18V；

3、再從箝位電壓VC和最大峰值電流IP計算出方波脈沖功率：PPP=VC×IP=18*50=900W；

4、將方波脈沖功率轉換為TP=1mS指數波的峰值功率，折合系數K1=1.4，PPP=900÷1.4=643W；

5、再考慮溫度因素(62.5℃時K2=0.7)，峰值脈沖功率為PPP=643÷0.7=924W，所以取PPP=1000W；

綜上，選擇的TVS參數為：VRWM=13V，VC(max)=18V，PPP=1000W@10/1000uS；