TVS二極管，即瞬態電壓抑制器（Transient Voltage Suppressors），又稱雪崩擊穿二極管，是一種用于保護電子電路的重要器件。它采用半導體工藝制成，通過其獨特的電學特性，能夠在電路中出現異常過電壓時迅速響應，將過電壓鉗制在較低水平，從而保護后級電路免遭損壞。以下是對TVS二極管應用的詳細探討，包括其工作原理、特性特點、選型指南、應用領域及具體實例等。

一、TVS二極管的工作原理

TVS二極管的工作原理基于其內部的PN結特性。當TVS二極管被反向并聯于電路中時，在電路正常工作時，它處于截止狀態（高阻態），不影響電路的正常工作。然而，當電路中出現異常過電壓，且該電壓達到TVS二極管的擊穿電壓時，TVS二極管會迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態，將異常過電壓導致的瞬時過電流泄放到地，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平。這樣，后級電路就得到了有效的保護。當異常過電壓消失后，TVS二極管又會恢復為高阻態，等待下一次的保護動作。

二、TVS二極管的特性特點

1. 高可靠性 ：TVS二極管采用半導體工藝制成，具有很高的可靠性，無損壞極限。
2. 瞬態功率大 ：TVS二極管能夠承受較大的瞬態功率，保護電路免受瞬態過電壓的損害。
3. 低電容、低漏電流 ：這些特性使得TVS二極管在保護電路的同時，不會對電路的正常工作產生干擾。
4. 箝位電壓易控制 ：通過選擇合適的TVS二極管，可以精確地控制其箝位電壓，以滿足不同電路的保護需求。
5. 電壓精度高 ：在特殊應用場合，通過工藝或參數篩選，TVS二極管可以達到更高的電壓精度。
6. 封裝形式多樣化 ：TVS二極管有多種封裝形式可供選擇，如貼片封裝（SOD-123、SMA/DO-214AC等）和直插封裝（DO-41、DO-15等），以適應不同電路的布局和安裝需求。

三、TVS二極管的選型指南

在選擇TVS二極管時，需要考慮以下幾個關鍵因素：

1. 被保護電路的最大直流或連續工作電壓 ：確保TVS二極管的截止電壓大于被保護電路的最高工作電壓。
2. 瞬態浪涌功率 ：TVS二極管的額定瞬態功率應大于電路中可能出現的最大瞬態浪涌功率。
3. 鉗位電壓 ：TVS二極管的最大鉗位電壓應小于后級被保護電路中的損壞電壓。
4. 峰值脈沖電流 ：在確定好TVS二極管的最大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態浪涌電流。
5. 電容值 ：對于數據接口或通信線路的保護，應選用具有合適電容值的TVS二極管，以避免對信號傳輸產生干擾。

四、TVS二極管的應用領域

TVS二極管因其優異的保護性能，被廣泛應用于各種需要保護電子電路的場合。以下是一些主要的應用領域：

1. 汽車電子 ：在汽車電子系統中，靜電和浪涌電壓對電子控制單元（ECU）等敏感元件的威脅日益嚴重。TVS二極管可以有效地保護這些元件免受靜電和浪涌電壓的損害，確保汽車電子系統的穩定運行。例如，東芝公司提供的車規TVS產品系列，涵蓋了從CAN/LIN接口保護到LVDS高速信號接口保護的多種解決方案。
2. 工業控制 ：在工業控制系統中，各種傳感器、執行器等元件經常受到來自外部環境的電磁干擾和浪涌電壓的威脅。TVS二極管的應用可以有效地保護這些元件免受損害，提高工業控制系統的穩定性和可靠性。
3. 通信設備 ：在通信設備中，信號傳輸線路經常受到雷電、靜電等外界因素的干擾。TVS二極管的應用可以保護信號傳輸線路免受這些干擾的影響，確保通信設備的正常運行。
4. 家用電器 ：在家用電器中，如電視機、電腦等設備的電源線和信號線也容易受到雷電、靜電等外界因素的干擾。TVS二極管的應用可以保護這些設備免受損害，提高家用電器的使用壽命和安全性。

五、TVS二極管的應用實例

以下是一個基于TVS二極管的車載逆變電源設計實例，展示了TVS二極管在保護電路中的具體應用：

一種基于TVS管的車載逆變電源設計

針對車載逆變電源在充電過程中可能會發生的瞬變過電壓現象，設計了一款基于TVS的小型車載逆變電源。該逆變電源前級采用DC-DC推挽正激電路將12V直流小電壓升壓為360V左右的直流高壓，后級采用DC-AC全橋逆變電路將輸入的直流高壓轉換為220V交流電輸出。為了確保逆變電源在異常過電壓情況下能夠穩定運行并保護后級電路，特別引入了TVS二極管進行瞬態電壓保護。

1. 系統架構設計

• 前級DC-DC升壓電路 ：采用推挽正激拓撲結構，通過控制兩個MOS管的交替導通與截止，將車載電池的12V直流電壓升壓至360V左右。此部分電路需要精確控制MOS管的開關時序，以確保輸出電壓的穩定性和效率。
• 后級DC-AC逆變電路 ：采用全橋逆變拓撲結構，由四個MOS管組成，通過PWM信號控制它們的導通與截止，將前級輸出的360V直流高壓轉換為220V、50Hz的交流電。全橋逆變電路具有輸出電壓波形質量好、轉換效率高的優點。
• TVS二極管保護電路 ：在前級DC-DC升壓電路的輸出端和后級DC-AC逆變電路的輸入端分別并聯TVS二極管。當電路中出現異常過電壓時，TVS二極管會迅速響應，將過電壓鉗制在較低水平，從而保護后級電路免遭損壞。

2. TVS二極管選型

• 前級保護 ：根據前級DC-DC升壓電路的最大輸出電壓（360V）和可能出現的瞬態過電壓情況，選擇一款具有足夠高的反向擊穿電壓（通常應高于最大輸出電壓的1.5倍）和適當箝位電壓的TVS二極管。同時，考慮到前級電路可能承受的瞬態浪涌功率，選擇具有足夠高瞬態功率承受能力的TVS二極管。
• 后級保護 ：后級DC-AC逆變電路的輸入端同樣需要TVS二極管保護。由于逆變電路對輸入電壓的穩定性要求較高，因此選擇的TVS二極管應具有較低的箝位電壓和較快的響應時間。同時，也要確保TVS二極管的瞬態功率承受能力與后級電路的需求相匹配。

3. 電路設計注意事項

• 布局與布線 ：在電路設計中，應合理布局TVS二極管的位置，使其盡可能靠近需要保護的電路節點。同時，布線時應盡量縮短TVS二極管到被保護電路之間的引線長度，以減少寄生電感和電阻對保護效果的影響。
• 溫度考慮 ：TVS二極管在工作過程中會產生一定的熱量。因此，在電路設計時需要考慮散熱問題，避免TVS二極管因過熱而損壞。可以通過增加散熱片、優化電路布局或使用低功率損耗的TVS二極管等方式來提高散熱性能。
• 與其他保護元件的協同工作 ：在某些情況下，可能需要將TVS二極管與其他保護元件（如保險絲、熱敏電阻等）結合使用，以提供更全面的電路保護。在設計時需要考慮這些元件之間的協同作用，確保它們能夠相互補充、互不干擾。

4. 測試結果與分析

在完成電路設計后，需要進行一系列測試以驗證TVS二極管在保護電路中的有效性。測試內容可以包括：

• 正常工況下的性能測試 ：在正常工作條件下測試逆變電源的輸出電壓、電流和功率等參數，確保電路的穩定性和效率。
• 異常過電壓測試 ：模擬電路中出現的異常過電壓情況（如靜電放電、雷電沖擊等），觀察TVS二極管的響應速度和鉗位效果，確保后級電路免遭損壞。
• 長期穩定性測試 ：在長時間運行條件下測試逆變電源的性能變化，評估TVS二極管等保護元件的可靠性和壽命。

通過測試結果的分析，可以對電路設計進行進一步優化和改進，以提高逆變電源的整體性能和可靠性。

六、總結與展望

TVS二極管作為一種重要的電子保護元件，在車載逆變電源等電子設備中發揮著至關重要的作用。通過合理選型和設計，可以有效地保護電路免遭異常過電壓的損害，提高設備的穩定性和可靠性。隨著電子技術的不斷發展，TVS二極管的性能也將不斷提升，為電路保護提供更加全面和高效的解決方案。未來，我們可以期待TVS二極管在更多領域和更廣泛的應用場景中發揮其獨特的保護作用。