什么是TVS？TVS保護原理和選型要點

引言：上節簡述了兩項常見的電應力測試，靜電和浪涌，本節開始介紹應對這兩項測試的無源保護器件TVS，有源器件保護器件請跳轉查看防護器件系列。

1.什么是TVS

TVS（Transient Voltage Suppressor），即瞬態電壓抑制器，TVS采用先進的半導體制程工藝制作，通過調節半導體PN結兩端電壓來啟動保護，具有導通電壓精準、啟動速度快、一致性好無老化的優點，是專門設計用來抑制電路中的過壓保護器件，它可以將幾KV的靜電電壓和浪涌電壓限制在一個非常安全的電壓范圍之內，從而保護電路中的敏感組件免受高壓靜電和浪涌的損壞。所以TVS管既可以用來防護ESD，也可以用來防護Surge，但是還有一個細分品類叫ESD防護二極管，它專業用來防護ESD，但不足以應對Surge，在選型TVS管時，要充分考慮其防護兩種電應力的能力。

2.Zener（齊納）二極管

圖2-1顯示了典型的齊納二極管I-V曲線，曲線左側顯示反向偏壓區域的Zener，只要測試或工作電壓保持在VRWM以下（0V~|VRWM|），電流會非常小。VRWM是指關閉狀態工作電壓，低于該電壓時，反向泄漏電流小于指定的IRM。當電壓升高時，電流會突然增加，此時出現雪崩區，即達到擊穿電壓VBR。也就是說保護動作工作在雪崩區，瞬間的脈沖出現時，Zener快速反應進入雪崩區，吸收一部分能量，并將剩余能量導入GND。

采用電流驅動型測試設置，對Zener施加反向電壓直到二極管流過1mA電流，此時的電壓定義為可擊穿電壓VBR。曲線右側顯示正向偏壓區域的Zener，如果電壓超過VF，電流開始快速回升，可將負浪涌脈沖電壓鉗制到較低值(VF?0.7V)，Zener作為保護器件時是單向保護。

圖2-1：Zener的I-V曲線

Zener為接口提供單向保護，對于負浪涌事件，限制到相對較低的電壓（高于VF），而對于正浪涌事件，根據VCL等式，鉗制到鉗位電壓，鉗位電壓：

3.TVS（瞬態抑制）二極管

如果串聯連接兩個方向相反的Zener，則形成雙向ESD器件，此時整合起來就變成TVS管，如果這兩個二極管相同，則I-V曲線對稱，如圖2-所示：

圖2-2：TVS的I-V曲線

鉗位電壓的計算公式與單向ESD二極管的反向等式相同：

其中：

VBR由VF值和另一個二極管的反向擊穿電壓VBR1組成。支持正負工作電壓范圍的接口必須采用ESD保護，例如模擬音頻信號，大多數只支持正工作電壓的數字接口可通過單向解決方案獲得保護，不過有許多工程師會采用雙向ESD保護方案。對于負ESD放電，SOC會接觸到更高的負鉗位電壓，應盡量避免這種情況，因為這會嚴重影響系統級穩健性。

如果必須按照IEC-61000-4-5標準保護系統芯片，使其免遭具有更高能量和更長脈沖持續時間的負浪涌事件影響，則尤其需要注意上述問題。如果浪涌保護只能根據IEC-61000-4-2處理ESD脈沖，那么使用雙向拓撲便可為相對不敏感的芯片提供充分保護。設計低電容ESD保護組件時，選擇這種兩個ESD二極管串聯的結構十分有用，因為其寄生電容比單向器件低，如下式所示：

4.TVS保護原理

保護和損壞機制

當TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

圖2-3：原始靜電-綠色是被TVS保護后的安全電壓

從圖2-3來說，綠線部分的面積越小越好，那么就要求抑制電壓越小越好，這樣對后面電路的保護效果就越好。從被保護器件的角度考慮，主要有兩種方式造成器件損壞：

1：過電壓，由于抑制后的剩余電壓部分過高，遠超出被保護器件的額定電壓，導致器件對地產生漏電流或者是電極與電極之間發生放電的現象，導致器件不能工作或者工作失常，通常情況下，從器件的表面觀察不到異常情況。

2：過電流，在被保護器件引腳和引腳之間，引腳和GND之間產生過電流現象，表現為被保護器件失去應有的工作狀態或對地短路。

所以較低的抑制電壓（VCL）和殘余電流意味著被保護器件或IC具有較低的發熱，另外被保護器件的額定耐壓指的是常態下的耐壓（RMS），和瞬態的耐壓不是一個概念。

關鍵參數

VRWM：器件最大反向工作電壓

在線路沒有受到電應力影響時，TVS管是要求不工作的，所以VRWM應該大于線路上最高的工作電壓。這樣才能保證TVS 在電路正常工作下不會影響電路工作（當工作電壓大于VRWM時，反向漏電流會顯著增大，從上述波形圖來看雖然實際也能使用但是不建議）。但也不能選的太高，如果太高，鉗位電壓也會較高，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，通常選取VRWM為工作電壓的1.1~1.2倍。

VBR：器件反向擊穿電壓

器件反向擊穿電壓，通常在器件通過IR=1mA的電流情況下測試，代表器件擊穿時的一種臨界狀態。

VCL：鉗位電壓

對器件施加規定波形的峰值脈沖電流Ipp時（或者對器件進行模擬ESD測試），TVS管反向電擊穿后隨著電壓增加到一確定值后，TVS管兩端測得的峰值電壓保持不變，此電壓就是TVS管的最大鉗位電壓。TVS 鉗位電壓應小于后級被保護器件最大可承受的瞬態安全電壓，但要大于后級被保護器件的正常工作電壓。

Ipp：器件最高可承受峰值脈沖電流，詳細波形圖見器件規格書。其實Ipp和VCL才是真正衡量TVS在電路保護中防護ESD和Surge脈沖電流和限制電壓能力的參數，在相同Ipp下的VCL越小，表明TVS的鉗位特性越好。

VF：器件的正向壓降

RD：器件的動態電阻

IR：漏電流，也叫待機電流，漏電流主要帶來功率的損耗，比如在模擬信號中，會影響AD信號的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

Pppm：額定功率，TVS產品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。

Cd：結電容

TVS管的結電容一般從幾pF到nF級別，隨著反向電壓的增加，Cd呈下降規律，電容的大小會影響TVS器件的響應時間。在通訊線路上需要考慮TVS管的Cd值，過大的結電容會影響通訊線路的信號質量（增加信號的上升時間，改變線路的特性阻抗等）。

5.TVS的選型要點

從上面的分析中我們篩選出若干選型要點，并按照優先級排列如下：

1：TVS的VRWM大于線路上的最大工作電壓。

2：TVS的VBR大于線路上的最大工作電壓。

3：被保護器件（線路）的正常工作電壓＜TVS的VCL＜被保護器件（線路）最大可承受的瞬態安全電壓。

4：TVS選擇符合測試要求的功率Pppm。

5：TVS的Cd一定要滿足適合被保護信號線的速率要求，建議參考如下關系，也可以參考時鐘頻率。

數據傳輸速率1.5Mbps（200KB/s），Cd≤30pF

數據傳輸速率12Mbps（1.5MB/s），Cd≤10pF

數據傳輸速率480Mbps（60MB/s），Cd≤4pF

數據傳輸速率5Gbps（640MB/s），Cd≤0.8pF

數據傳輸速率10Gbps（1280MB/s），Cd≤0.4pF