一.特性? 定義 TVS二極管，又稱瞬態(tài)抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應(yīng)時間和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收一個瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。 特點 TVS能承受的瞬時脈沖功率可達上千瓦，其箝位響應(yīng)時間僅為1ps（10^-12S）。 TVS允許的正向浪涌電流在T =25℃，T=10ms條件下，可達50～200A 。 雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平，雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。 TVS器件分類： 按極性可分為：單極性和雙極性兩種； 按用途可分為：通用型和專用型； 按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。 軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可達400W、500W、600W、1500W和5000W。 其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝場合。對于高密度安裝的場合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。 ? 二、介紹與應(yīng)用? 便攜式設(shè)備的ESD保護十分重要，而TVS二極管是一種十分有效的保護器件，與其它器件相比有其獨特的優(yōu)勢，但在應(yīng)用時應(yīng)當針對不同的保護對象來選用器件，因為不同的端口可能受到的靜電沖擊有所不同，不同器件要求的保護程度也有不同。要注意相應(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個生產(chǎn)商的不同設(shè)計，同時還要進行合理的PCB布局。 在這里介紹下便攜式設(shè)備的ESD保護中如何應(yīng)用TVS二極管器件。 便攜式設(shè)備如筆記本電腦、手機、PDA、MP3播放器等，由于頻繁與人體接觸極易受到靜電放電(ESD)的沖擊，如果沒有選擇合適的保護器件，可能會造成機器性能不穩(wěn)定，或者損壞。 一般情況下，對此類設(shè)備暴露在外面可能與人體接觸的端口都要求進行防靜電保護，如鍵盤、電源接口、數(shù)據(jù)口、I/O口等等?，F(xiàn)在比較通用的ESD標準是IEC61000-4-2，應(yīng)用人體靜電模式，測試電壓的范圍為2kV～15kV(空氣放電)，峰值電流最高為20A/ns，整個脈沖持續(xù)時間不超過60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過幾百個微焦爾，但卻足以損壞敏感元器件。 便攜式設(shè)備所采用的IC器件大多是高集成度、小體積產(chǎn)品，精密的加工工藝使硅晶氧化層非常薄，因而更易擊穿，有的在20V左右就會受到損傷。傳統(tǒng)的保護方法已不再普遍適用，有的甚至還會造成對設(shè)備性能的干擾。 ? ?三、TVS二極管的特點?? 可用于便攜式設(shè)備的ESD保護器件有很多，例如設(shè)計人員可用分立器件搭建保護回路，但由于便攜設(shè)備對于空間的限定以及避免回路自感，這種方法已逐漸被更加集成化的器件所替代。多層金屬氧化物器件、陶瓷電容還有二極管都可以有效地進行防護，它們的特性及表現(xiàn)各有不同，TVS二極管在此類應(yīng)用中的獨特表現(xiàn)為其贏得了越來越大的市場。 TVS二極管最顯著的特點一是反應(yīng)迅速，使瞬時脈沖在沒有對線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對TVS二極管設(shè)計的改進使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現(xiàn)。 ? 四、優(yōu)勢? TVS與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進使TVS具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 VS與陶瓷電容：很多設(shè)計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護，不但便宜而且設(shè)計簡便，但這類器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV的沖擊會造成約10%陶瓷電容失效，到10kV時，損壞率達到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設(shè)備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標準)，可見使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。 TVS與MLV：多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護，如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止因子，同時還具有較低的電容，這一點對于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因為過高的電容會影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI和RFI過濾保護等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計。 另一個不能忽略的特點是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個芯片上，現(xiàn)有很多將EMI過濾和RFI防護等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設(shè)計所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時易誘發(fā)的伴生自感。 ? 五、選用? 在選用TVS時，應(yīng)考慮以下幾個主要因素： (1)若TVS有可能承受來自兩個方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時，應(yīng)當選用雙極性的，否則可選用單極性。 (2)所選用TVS的Vc值應(yīng)低于被保護元件的最高電壓。Vc是二極管在截止狀態(tài)的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時通過TVS的電壓，它不能大于被保護回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損壞的危險。 (3)TVS在正常工作狀態(tài)下不要處于擊穿狀態(tài)，最好處于VR以下，應(yīng)綜合考慮VR和VC兩方面的要求來選擇適當?shù)腡VS。 (4)如果知道比較準確的浪涌電流IPP，則可利用VCIpp來確定功率；如果無法確定IPP的大致范圍，則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。 (5)TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0．01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，不然有可能損壞TVS。 (6)對于小電流負載的保護，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，一般不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。 (7)電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，這是在特定的1 MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。對于數(shù)據(jù)/信號頻率越高的回路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強度也大，因此，需要根據(jù)回路的特性來決定所選器件的電容范圍。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3 pF)，而對電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40pF。 (8)為了滿足IEC61000-4-2國際標準，TVS二極管必須達到可以處理最小8 KV(MB，接觸)和15 kV(BM,空氣)的ESD沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標準。而對于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計者可以按需要挑選器件。 ? 六、單雙向? 區(qū)分TVS二極管的單雙向 直流保護一般選用單向TVS管，交流保護一般選用雙向TVS管，多路保護選用TVS陣列器件，大功率保護選用TVS專用保護模塊。但是相比其他的電路保護器件直接的選型應(yīng)用，TVS二極管在測試前還是先區(qū)分其單雙向。雖然最終的作用是一樣的，但是單雙向TVS二極管的適用范圍還是有差別的，雙向TVS管適用于交流電路，單向TVS管一般用于直流電路。 可以直接用萬用表測 <1>測量二極管的檔位，單向一邊通，雙向兩邊都有電壓; <2>測直流，雙向?qū)ΨQ，單向只有反向是雪崩擊穿特性，一般1mA下測。 所有TVS管放大后會有根陰極線，它是用來區(qū)分二極管的正負極的，與單雙向無關(guān)。 單/雙向使用上的不同點 1.單向用在直流。雙向用在交流;單向tvs管保護器件僅能對正脈沖或者負脈沖進行防護，而雙向tvs管保護器件一端接要保護的線路，一端接地，無論來自反向還是來自正向的ESD脈沖均被釋放，更有效地保護了IC。 2. 單向TVS管的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點處近似“直角”的硬擊穿為典型的PN結(jié)雪崩。當有瞬時過壓脈沖時，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，并保持在這一水平上;雙向TVS管的V-I特性曲線如同兩只單向TVS“背靠背”組合，其正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性，正反兩面擊穿電壓的對稱關(guān)系為0.9≤VBR(正)/VBR (反) ≤1.1。一旦加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓Vc就會立刻被抑制掉。 3.極間電容Cj 單向的比雙向的大，以LRC的為例，單向的電容C有65PF，雙向的只有15PF; 4.USB數(shù)據(jù)線上全部用的雙向; 5.電流曲線不同。單方向的TVS管的電路符號與普通的穩(wěn)壓管相同，其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。雙向二極管正反向都是典型的PN結(jié)雪崩器件。 雙向TVS管可以當成單向來用么? 從市場上看TVS管雙向的應(yīng)用范圍更廣，從產(chǎn)品單價上看基本沒有差別，關(guān)鍵參數(shù)電容C越低越好，這就導(dǎo)致電子市場和小型工廠普遍采用雙向的TVS管。但通過以上的分析比對，單向和雙向有諸多的不同，很多地方可以用雙向替雙向，但具體用哪種最主要的還是看工程的電路設(shè)計，有些只能用單向的TVS。 ? 七、參數(shù)? TVS管器件的主要參數(shù) (1)最小擊穿電壓VBR 當TVS流過規(guī)定的電流時，TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，在此區(qū)域，TVS管呈低阻抗的通路。在25℃時，低于這個電壓，TVS管是不會發(fā)生雪崩擊穿的。 (2)額定反向關(guān)斷電壓VWM VWM是TVS管在正常狀態(tài)時可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護電路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVS管工作以前使整個電路面對過壓威脅。按TVS管的VBR與標準值的離散度，可把VBR分為5％和10％兩種，對于5％的VBR來說，VWM=0.85VBR腿；而對于10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。 (3)最大峰值脈沖電流IPP IPP是TVS管在反向狀態(tài)工作時，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。 (4)箝位電壓Vc 當脈沖峰值電流Ipp流過TVS管時，其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS管的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之比稱為箝位因子(系數(shù))，其值一般在1.2～1.4之間。實際使用時，應(yīng)使Vc不大于被保護電路的最大允許安全電壓，否則被保護器件將面臨被損壞的可能。 (5)最大峰值脈沖功耗PM PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積，也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS管能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS管所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重復(fù)施加的。 (6)電容量C TVS管的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來決定的，它是在1 MHz特定頻率下測得的。C的大小與TVS管的電流承受能力成正比，C太大，將使信號衰減。因此，電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS管的重要參數(shù)。 (7)漏電流IR IR是最大反向工作電壓施加到TVS管上時，TVS管的漏電流。當TVS管用于高阻抗電路時，這個漏電流IR一個重要參數(shù)。 ? 八、工作原理? 穩(wěn)壓管和TVS管的工作原理 穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二極管)，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件，在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。 TVS(Transient Voltage Suppresser瞬態(tài)電壓抑制器)是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應(yīng)時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收一個瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，TVS可用于保護設(shè)備或電路免受靜電、電感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。 TVS管和穩(wěn)壓管一樣，也是反向應(yīng)用的。其中VR稱為最大轉(zhuǎn)折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓。VB是擊穿電壓，其對應(yīng)的反向電流IT一般取值為1 mA。VC是最大箝位電壓，當TVS管中流過的峰值電流為IPP的大電流時，管子兩端電壓就不再上升了。因此TVS管能夠始終把被保護的器件或設(shè)備的端口電壓限制在VB～VC的有效區(qū)內(nèi)。與穩(wěn)壓管不同的是，IPP的數(shù)值可達數(shù)百安培，而箝位響應(yīng)時間僅為1×10-12s。TVS的最大允許脈沖功率為PM=VCIPP，且在給定最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。 穩(wěn)壓管和TVS管的異同 電子系統(tǒng)的應(yīng)用當中，電壓及電流的瞬態(tài)干擾會經(jīng)常造成電子設(shè)備的損壞，瞬態(tài)干擾的顯著特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大，所以破壞性很大。為了防止這種破壞，TVS管得到了廣泛的應(yīng)用，TVS(Transient Voltage Suppressor)是一種在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一高效能的電路保護器件，其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無異，當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度(最高達1*10-12秒)使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。我們在一些精密電子設(shè)備中經(jīng)常可以看到TVS二極管作為ESD防護的主要手段之一。 作為二者的共同點，它們都可以用來穩(wěn)壓，并且都工作在反向截止狀態(tài)下，其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。但是TVS管齊納擊穿電流更小，大于10V的穩(wěn)壓只有1mA，相對來說齊納二極管擊穿電流要大不少，但是齊納二極管穩(wěn)壓精度可以做的比較高。而且TVS管強調(diào)的是瞬態(tài)響應(yīng)，所以其時間參數(shù)就很重要了，也就是說穩(wěn)壓二極管的響應(yīng)時間通常要比TVS管的慢。同時TVS管的功率較大，而穩(wěn)壓管的功率較小。 其次，從概念上理解，TVS管主要是防止瞬間大電壓的影響，最終可以達到穩(wěn)壓的目的，這與穩(wěn)壓管的作用是有區(qū)別的。? |
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