TVS管选型指导
TVS管选型指导
TVS—瞬态电压抑制器的简称，英⽂全称Transient Voltage Suppressor Diode。TV
是⼀种⼆极管形式的限压型过压保护器件。当TVS的两极受到反向瞬态⾼能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度将其两极间的⾼阻抗变为低阻抗，吸收⾼达数千⽡的浪涌功率，使两极间的电压箝位于⼀个预定值，有效地保护电⼦线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的损坏。它的特点响应速度快(1ps)、瞬态功率⼤、漏电流低、击穿电压偏差⼩(5%)、箝位能⼒强等。耐浪涌抑制电压能⼒特强，其脉冲功率从⼏百⽡—⼏⼗千⽡，脉冲峰值电流从⼏安—⼏百安。常⽤的TVS管的击穿电压有从5V—550V 的系列值，耐受能⼒⽤⽡特(W)表⽰。 ⽬前已⼴泛应⽤于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电⼦镇流器、家⽤电器、仪器仪表（电度表）、
RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波⼲扰抑制、声频/视频输⼊、传感
器/变速器、⼯控回路、继电器、接触器噪⾳的抑制等各个领域。
TVS⼆极管的分类
●按极性：可分为单极性和双极性两种
●按⽤途：可分为各种电路都适⽤的通⽤型器件和特殊电路适⽤的专⽤型器件。如：各种
交流电压保护器、 4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等
实时调试●按封装及内部结构：可分为轴向引线⼆极管、双列直插TVS阵列（适⽤多线保护）、贴
⽚式、组件式和⼤功率模块式等
TVS的使⽤
TVS TVS对受保护器件呈⾼阻抗状态，不影响线路的正常⼯作，当有异常的过电压脉冲超过其击穿电压时，TVS由⾼阻状态变为低阻状态，提供的⼀个低阻抗路径使流向被保护元器件的瞬间电流转⽽分流到TVS⼆极管，瞬间的浪涌电流经TVS管泄放掉，同时把电压精确的限制到⼀个安全的⽔平，当异常过电压消失后，TVS⽴即恢复到⾼阻状态。
图1.单向TVS⼯作原理说明
1.2T VS选型重要参数
TVS管作为保护器件，能够⾮常有效的防⽌静电击穿保护电路。在选⽤TVS
管的时候，必须注意其相关的参数，否则会出现意想不到的问题。V
RWM ，V
BR
，Vc，
Ipp，Cd是ESD/TVS器件选型的重要参数.
图2.双向TVS管V-I特性曲线
图3.单向TVS管V-I特性曲线
说明：
●V BR：崩溃电压@IT- TVS瞬间变为低阻抗的点茶水分离杯
tomgro
●V RWM：维持电压-在此阶段TVS为不导通之状态
●V C：钳制电压@Ipp -钳制电压约略等于1.3*VBR
●V F：正向导通电压@IF -正向压降
●I D：逆向漏电流＠VRWM
●I T：崩溃电压之测试电流
●I PP：突波峰值电流
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●I F：正向导通电流
1.2.1最⼤箝位电压Vc--Clamping voltage @Ipp
当持续时间为 20mS 的脉冲峰值电流 IPP 流过 TVS 时，脉冲电压通过ESD 保护器件后所被箝位，在其两端出现的最⼤峰值电压即为VC 。VC 和IPP 反映了 TVS 的浪涌抑制能⼒。
PESD5V0L2BT在Ipp为1A时Vc为10V，如果1000V的瞬间⼲扰信号经过PESD5V0L2BT，线上电压将被箝位在10V左右。
注意：VC 是⼆极管在截⽌状态提供的电压，也就是在 ESD 冲击状态时通过 TVS 的电压，它不能⼤于被保护回路的可承受极限电压，否则器件⾯临被损伤的危险。
图4.VC、⼯作电压和最⼤忍受电压的关系
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1.2.2 最⼤反向⼯作电压V RWM --Working Peak Reverse Voltage
最⼤反向漏电流I D --Maximum Reverse Leakage Current @ V RWM V RWM 表⽰在规定的I D 下，TVS 器件两端的电压值成为最⼤反向⼯作电压。通常
V RWM =（0.8~0.9）V BR 。在这个电压下，器件的功耗消耗很⼩。
注意：选型时应使Vrwm 不低于被保护器件或线路的正常⼯作电压。⼀般会Vop < Vrwm< 85%*Vc ，以便TVS 接⼊电路⽽不影响正常电路⼯作。
某些⼚家提供的芯⽚⼿册，也许就不会特意体现VC 参数，⽽同⼀以VRWM 来体现，即使VRWM 满⾜上⾯的条件，但关键还是得看钳位电压VC 的电压值，如果VC 不满⾜，该保护电路仍是不可靠的。
1.2.3 反向击穿电压V BR ----Breakdown Voltage @ I T
TVS 管通过规定的测试电流It 时的电压，这是表⽰TVS 管导通的标志电压，即从此点开始器件进⼊雪崩击穿。
V BR 是 TVS 最⼩的击穿电压，在 25 ℃时，低于这个电压 TVS 是不会发⽣
雪崩的。当 TVS 流过规定的 1mA 电流 (IR ) 时，加于 TVS 两极的电压为其最⼩击穿电压 V BR 。
为了满⾜ IEC61000-4-2 国际标准，TVS ⼆极管必须达到可以处理最⼩ 8kV( 接触 ) 和 15kV( 空⽓ ) 的 ESD 冲击，有的半导体⽣产⼚商在⾃⼰的产品上使⽤了更⾼的抗冲击标准。对于某些有特殊要求的便携设备应⽤，设计者可以按需要挑选器件
1.2.4Ppp----Maximum Peak Pulse Power （最⼤峰值脉冲功率）
—脉冲波形冲击下可以忍受的最⼤电流值，8/20us脉冲波（8us达到100%Ipp，I
PP
20us达到50%Ipp）
峰值脉冲功率为ESD器件上瞬间通过的最⼤功率值。这是基于最⼤截⽌电P
PP
压和此时的峰值脉冲电流。对于⼿持设备，⼀般来说 500W 的 TVS 就⾜够了。最⼤峰值脉冲功耗 PM
是 TVS 能承受的最⼤峰值脉冲功耗值。在给定的最⼤箝位电压下，功耗 PM 越⼤，其浪涌电流的承受能⼒越⼤。在给定的功耗 PM 下，箝位电压VC 越低，其浪涌电流的承受能⼒越⼤。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。⽽且TVS 所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率 ( 持续时间与间歇时间之⽐ ) 为 0.01% 。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。
1.2.5结电容Cj ----Junction Capacitance
主要是指TVS连接GND和I/O时，具有的电容值。Cd为ESD/TVS器件的引脚寄⽣电容，通信速率越⾼，线路上使⽤的ESD保护器件的结电容要越低，否则
将破坏数据信号。如图所⽰，PRTR5V0U2X的Cd远低于1pf，⾮常适合⽤于USB2.0等⾼速通信场合。还有部分作为⾼速IO上保护的TVS，还会给出insert loss @ Freq。以便确认是否能作为保护器件。
电容量C是由 TVS 雪崩结截⾯决定的，是在特定的 1MHz 频率下测得的。 C 的⼤⼩与 TVS 的电流承受能⼒成正⽐， C 太⼤将使信号衰减。因此， C 是数据接⼝电路选⽤ TVS 的重要参数。电容对于数
据、信号频率越⾼的回路，⼆极管的电容对电路的⼲扰越⼤，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。⾼频回路⼀般选择电容应尽量⼩ ( 如 LCTVS 、低电容 TVS ，电容不⼤于 3pF) ，⽽对电容要求不⾼的回路电容选择可⾼于
40pF。
1.2.6测试电流I T--Test Current
在这个电流值下规定器件的反向击穿电压值器件的反向击穿电压值。
1.3单向保护和双向保护
单向保护器件仅能对正脉冲或者负脉冲进⾏防护，⽽双向保护器件⼀端接要保护的线路，⼀端接地，⽆论来⾃反向还是来⾃正向的ESD脉冲均被释放，更有效地保护了IC。
单向TVS
典型的PN结雪崩。从击穿点到Vc
双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS
0.9≤VBR(正)/VBR (反) ≤1.1。⼀旦加在它两端的⼲扰电压超过箝位电压Vc 就会⽴刻被抑制掉。
直流保护⼀般选⽤单向TVS⼆极管，交流保护⼀般选⽤双向TVS⼆极管，多路保护选⽤TVS阵列器件，⼤功率保护选⽤TVS专⽤保护模块。特殊情况，如：RS-485和RS-232保护可选⽤双向TVS⼆极管或TVS阵列。
琴谱架
1.4 温度考虑
瞬态电压抑制器可以在－55℃～+150℃之间⼯作。如果需要TVS 在⼀个变化的温度⼯作，由于其反向漏电流ID 是随增加⽽增⼤；功耗随TVS 结温增加⽽下降，从+25℃～+175℃，⼤约线性下降50％⾬击穿电压VBR 随温度的增加按⼀定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响
1.5 T VS 选型总结
对这些主要的参数了解后基本上就能知道如何选择⼀个适合⾃⼰电路的TVS 了。
Vc 、Ipp 反映了TVS 器件的浪涌抑制能⼒。当TVS 承受额定的瞬时峰值脉冲电流Ipp 时，可能在器件上的瞬时最⼤电压值即最⼤箝位电压为Vc 。此时，如果脉冲时间为规定的标准值，则TVS 的最⼤峰值脉冲功率为：Ppp=Vc*Ipp 。因此在选⽤TVS 前，最好对线路中产⽣的脉冲类型有⼤致的了解，是单脉冲，还是复脉冲，脉冲的上升时间，脉宽，峰值等，以便确定Vc
，Ipp ，PM 。VC 不能⼤于被保护回路的可承受极限电压，否则器件⾯临被损伤的危险。
V RWM 应等于或略⾼于电路的正常⼯作电压，确保TVS 的接⼊不会影响到正常
的⼯作。在交流线路，则需要根据正常⼯作电压的squar （2）（即1.414）倍，也就是峰值来确定。
V BR 不能⼩于电路的最⼤允许⼯作电压。否则TVS 进⼊雪崩，漏电流增⼤，影
响电路⼯作。
如果作为IO 脚保护，需要认真研究Cj 和insert loss ，会改变信号的相位和强度，可能造成⼯作不稳定。另外，还有双向的TVS 管，双向的参数同样适⽤。 Adobe Acrobat
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Littelfuse_TVS Diode_SMBJ
Datasheet
1.6T VS布局布线指导无缝内衣
1.7T VS与稳压⼆极管的区别
TVS是在稳压管⼯艺基础上发展起来的⾼效能电路保护器件，其电路符号和普通稳压⼆极管相同，外形也与普通⼆极管⽆异。⼆者的共同点是它们都可以⽤来稳压，并且都⼯作在反向截⽌状态。
TVS其正向特性与普通⼆极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩。TVS管齐纳击穿电流更⼩，⼤于10V的稳压只有1mA。相对来说齐纳⼆极管击穿电流要⼤不少，但是齐纳⼆极管稳压精度可以做的⽐较⾼。⽽且TVS管强调的是瞬态响应，所以其时间参数就很重要了。也就是说稳压⼆极管的响应时间通常要⽐TVS管的慢。同时TVS管的功率较⼤，⽽稳压管的功率较⼩。其次从概念上理解，TVS管主要是防⽌瞬间⼤电压的影响，最终可以达到稳压的⽬的，这与稳压管的作⽤是有区别的。
1.8T VS与压敏电阻的区别
变阻器。TVS
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1.9T VS的短路失效模式介绍
TVS
最为严重。 TVS⼀旦发⽣短路失效，释放出的⾼能量常常会将保护的电⼦设备损坏。
TVS器件主要由芯⽚、电极系统和管壳3部分构成。其中芯⽚是核⼼通常在单晶硅⽚上采⽤扩散⼯艺形成。如果在TVS制造⼯艺⼯程中控制不良，则可能造成TVS器件的固有缺陷，使TVS成品率和可靠性降低，容易导致筛选或使⽤中失效。
1.9.1引发TVS短路失效的主要内在质量因素
1、芯⽚粘结界⾯空洞
引发TVS短路的最典型的原因是管芯与内引线组件、底座铜⽚烧结不良，在烧结界⾯出现⼤⾯积空洞。空洞可能是由于焊料不均匀或粘结界⾯各层材料玷污、氧化使焊料沾润不良，造成烧焊时焊料与芯⽚或⾦属电极没有良好的熔合焊接引起的。空洞⾯积较⼤时电流在烧结点附近汇聚，管芯散热困难，造成热电应⼒集中，产⽣局部热电，严重时引
引起器件热阻增⼤，最终导致器件过热烧毁。
2、台⾯缺陷
TVS台⾯缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS制造⼯艺过程中造成芯⽚台⾯损伤的原
3、表⾯强积累层或强反型层
即便TVS器件芯⽚台⾯完好，TVS短路失效也容易发⽣在表⾯。这是由于晶体结构的周期性在表⾯上中断，加上半导体表⾯往往存在许多磨⽚、抛光、喷砂、切⽚等引起的晶格缺陷，吸附腐蚀时残留的化学品、⽓体或其它污染物会使半导体表⾯带电。表⾯电荷
pn结边缘形成表⾯积累层耗尽层或反型层等表⾯空间电pn 结边缘电场强度⼤于体内pn结边缘部分在⽐额定击穿电压低的电压下便达到临界电场⽽发⽣载流⼦倍增效应，造成pn结边缘电流集中，功率密度过⼤，温度过⾼⽽烧毁。4、芯⽚裂纹
芯⽚裂纹是引起TVS短路失效的⼀个重要内在质量因素。它可能是由磨⽚、抛光、喷砂、切⽚等残留应⼒以及烧结后残留变形等因素引起，也可能是由于温度变化时保护胶和电极系统对芯⽚热不匹配应⼒⽽引起。
5、杂质扩散不均匀
TVS的芯⽚通常是在⼀定电阻率的P型或N型硅⽚上先进⾏磷扩散后进⾏硼扩散形成的。
如果扩散⼯艺过程中出现硅⽚电阻率轴向或径向不均匀杂质浓度不均匀，使硅⽚各处击穿电压不同，从⽽使器件击穿时芯电流分布不均匀，多次浪涌冲击后局部烧毁。
1.9.2引起TVS短路失效的使⽤因素和失效机理
1、过电应⼒
当瞬态脉冲能量超过TVS所能承受能量时会引起TVS器件过电应⼒损伤，特别是当瞬态
脉冲能量达到TVS所能承受能量的数倍时就会直接导致TVS器件过电应⼒烧毁。过电应⼒短路失效的TVS芯⽚在扫描电镜下观察可发现pn结表⾯边缘的熔融区域或体内硅⽚的上表⾯和下表⾯的⿊斑。
2、⾼温
当TVS器件⼯作温度超过其最⼤允许⼯作温度时，短路失效通常发⽣在pn结表⾯。这是因为在⾼温条件下⼯作，表⾯可动离⼦的数量⼤⼤增加，表⾯电流也随之增⼤，表⾯功率密度和温度⽐体内⾼，使
pn结边缘结温超过200度，边缘局部区域晶格遭受致命性的损坏。⾼击穿电压TVS器件更容易发⽣短路失效。
3、长时间⼯作损耗
长时间的⼯作，TVS的芯⽚结边缘焊料容易形成⾦属化合物⽽脆化，使管芯与底座热沉逐渐分离，结边缘的散热能⼒降低，⼯作结温持续增⼤导致过热烧毁。
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