TVS選型時為何應盡量選用單向TVS？

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通常工程師在選擇TVS時為了避免方向性問題而選擇使用雙向TVS，但在未確認欲保護訊號為單向訊號或是雙向訊號前即選擇使用雙向TVS，可能會讓保護效果先打了折扣，后續將解說單向訊號與雙向訊號的差異后，進一步說明這些訊號使用單向或雙向TVS會得到最好的ESD抑制效果。

1. 單向及雙向訊號特性

一般訊號可分成為單向訊號或雙向訊號，單向訊號或電源是指此訊號線只會出現正電壓或只會出現負電壓，這種單極性應用的訊號稱為單向訊號(Unidirectional Signal)，參考圖一、圖二所示。雙向訊號(Bidirectional Signal)，意即此訊號電壓成分同時含有正電壓與負電壓存在，請參考圖三。

圖一 : 單向訊號 (訊號均為正電壓)

圖二 : 單向訊號 (訊號均為負電壓)

圖三 : 雙向訊號 (訊號有正電壓與負電壓)

2. 單向TVS與雙向TVS之特性

由于需要加TVS保護的訊號有可能是單向或雙向，因此選用TVS時需特別注意并厘清訊號之準位是否含有正負電壓成分存在。當訊號為單向訊號則需選擇單向TVS會得到較好的ESD抑制效果，單向TVS符號請參考圖四。需要注意此訊號的電壓準位不能高于TVS的崩潰電壓 (VBR)，當訊號準位高于崩潰電壓(VBR)時，會造成正常工作條件下的訊號即會觸發TVS崩潰導通情況，故選擇TVS時需先評估訊號電壓準位與欲使用之TVS 的直流參數(VBR, VF)做比較。舉單向訊號若為正電壓且搭配使用單向TVS時為例，因為單向訊號不會有負電壓而造成元件forward導通的情況發生，單向TVS直流參數(VBR, VF)請參考圖五。

圖四 : 單向TVS符號

圖五 : 單向TVS直流參數(VBR, VF)

當欲保護之訊號為雙向訊號，即其訊號電壓同時存在正負電壓準位，則需選擇雙向TVS，以避免因誤用單向TVS而發生負電壓訊號forward導通造成訊號失真。雙向TVS之符號與I-V 曲線(直流特性)請參考圖六、圖七。

圖六 : 雙向TVS 符號

圖七 : 雙向TVS直流參數(VBR)

3. 單向TVS與雙向TVS之應用差異

常有誤解指稱單向TVS只能保護正電壓突波，這是很大的錯誤。正確的是：單向TVS與雙向TVS皆能保護正電壓或是負電壓的突波，只是在選用時要注意單向TVS不適用于操作電壓同時存在正電壓及負電壓的訊號線，常見具有雙向電壓特性的應用包括: Audio, RS485, RS232…等等。舉例而言單向TVS若應用在RS232雙向訊號線的防護上，將造成負向訊號(-12V)因單向TVS forward導通(約0.7V)而將負向電壓鉗位在(-0.7V)，紅色虛線為負向電壓被鉗位到(-0.7V)后的波形，此舉將造成訊號失真或什至系統當機，請參考圖八、圖九。

圖八 : 單向TVS應用在雙向訊號

圖九 : 負向訊號鉗位在 -0.7V

反之若雙向TVS應用于單向電壓訊號，雖不會有訊號被不正常鉗位導致失真的情況，但雙向TVS在負電壓突波條件時保護效果遠劣于單向TVS，無法讓保護效果最佳化。由于主芯片常為高階制程故非常脆弱，加上主芯片的I/O防護電路常為單向ESD元件，若此時在外部電路采用雙向TVS防護，在出現系統級負電壓突波時，可能因主芯片內部的單向ESD元件先啟動導通，而導致主芯片損壞，請參考圖十。 由于雙向TVS在正電壓與負電壓均要達到崩潰電壓才能啟動導通，所以正電壓時導通特性曲線上在單向TVS與雙向TVS是相似的，但在負電壓時單向TVS其鉗位電壓約 -0.7V即會Forward導通而達到保護功能，而雙向TVS在負電壓時需達到負向崩潰(譬如5V TVS VBR 約為 -6V)，所以在負向突波電壓保護上會有差異，請參考圖十一TLP曲線比較。 此外，若比較同樣封裝的單向TVS及雙向TVS時，會發現正電壓時雖同為崩潰導通條件，但單向TVS的鉗位電壓皆優于雙向TVS。這是由于在同樣的芯片面積的條件下，雙向TVS需設計的元件數量較多，結構較復雜。反觀單向TVS則可以最大化保護元件的面積，有效降低鉗位電壓及動態導通電組，提升保護效果。

圖十 : 雙向TVS應用在單向訊號(0V ~ +5V)

圖十一 : 單向與雙向TVS的TLP曲線比較

總而言之，單向TVS或雙向TVS可從電氣特性規格書中的元件電路圖示(圖四、圖六)辨識出來。且單向TVS或雙向TVS都可以有效防護正電壓或是負電壓的突波，若欲保護的訊號為單向訊號(全為正電壓或全為負電壓)，選擇使用單向TVS元件則ESD保護效果肯定優于使用雙向TVS元件。只須注意若欲保護的訊號為Audio, RS485, RS232等雙向訊號(具有正負電壓)，則僅能使用雙向TVS元件，以避免在負電壓時單向TVS因二極體Forward而將正常訊號鉗位在(-0.7V)，導致發生通訊異?；虍敊C現象。

審核編輯：湯梓紅