【導讀】PN結二極管具有正向導通，反向關斷的特性，通過不同的材料、摻雜、外延以及工藝的改進使其廣泛應用於電力電子行業功率變換與電路保護
，TVS二極管具有響應速度快、漏電流小
、鉗位電壓穩以及無壽命衰減的特性

，從小到信號線靜電防護，大到電力係統抗雷擊浪湧
，TVS都發揮著至關重要的作用。本章對TVS工作機理與核心參數展開分析，供產品選型參考。

TVS二極管工作原理

TVS二極管
，既瞬態抑製二極管，又叫雪崩擊穿二極管，采用半導體工藝製成的單個PN結或多個PN結集成的器件。TVS二極管有單向與雙向之分
，單向TVS二極管一般應用於直流供電電路
，雙向TVS二極管應用於電壓交變的 電路。當應用於直流電路時
，單向TVS二極管反向並聯於電路中
，當電路正常工作時，TVS二極管處於截止狀態（高阻態），不影響電路正常工作。當電路出現異常過電壓並達到TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS 迅(xun)速(su)由(you)高(gao)電(dian)阻(zu)狀(zhuang)態(tai)突(tu)變(bian)為(wei)低(di)電(dian)阻(zu)狀(zhuang)態(tai)，泄(xie)放(fang)由(you)異(yi)常(chang)過(guo)電(dian)壓(ya)導(dao)致(zhi)的(de)瞬(shun)時(shi)過(guo)電(dian)流(liu)，同(tong)時(shi)把(ba)異(yi)常(chang)過(guo)電(dian)壓(ya)鉗(qian)製(zhi)在(zai)較(jiao)低(di)的(de)水(shui)平(ping)
，從(cong)而(er)保(bao)護(hu)後(hou)級(ji)電(dian)路(lu)免(mian)遭(zao)異(yi)常(chang)過(guo)電(dian)壓(ya)的(de)損(sun)壞(huai)。當(dang)異(yi)常(chang)過(guo)電(dian)壓(ya)消(xiao)失(shi)後(hou)，TVS 阻值又恢複為高阻態。

TVS二極管在結構上改進增大PNjiemianji，shiqishuntaitongliunenglidadatigao，qichanzanongduyunaiyachengfanbiyulangyongdianliuchengzhengbi，dichanzashidejiedianhuodegenggaonaiya，xiangyingdetongliunenglibianruo，tongguokuodajingyuanchicundefangshilainengjiejuegaoyayudatongliubukejianrongdewenti，tongyangdeyehuidailaichengbendezengjia。

在實際應用中如果無需單向TVS二極管正向導通來實現一定程度的續流
，那麼采用雙向TVS二極管可以達到同樣保護效果，同時還具有防止直流電壓反接而引起的TVS短路燒毀現象。

齊納擊穿與雪崩擊穿

TVS二極管與Zener二極管同樣作為過壓保護， TVS著重浪湧電壓的鉗位保護，具有抗大電流衝擊的能力
；Zenerguanzhezhongyuwenyaxiaoguo，juyoulangyongdianliuxiao
，baohudianyawendetedian
，liangzhezaiyuanliyubaohutexingyousuoqubie
，tongshizaigebieyingyonglingyuyounengyidingchengdudehuhuan。

齊納擊穿

dangfanxiangdianyazengdadaoyidingzhishi，shileiquneijiunengjianliqihenqiangdedianchang，tanenggouzhijiejiangshufuzaigongjiajianzhongdejiadianzilachulai

，shishileiquchanshengdaliangdedianziyikongxuedui
，xingchengjiaodadefanxiangdianliu，chanshengjichuan
，bazhezhongzaiqiangdianchangzuoyongxia
，shishileiquzhongyuanzizhijiejifadejichuanxianxiangchengweiqinajichuan。

齊納擊穿一般發生在摻雜濃度較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較高的PN結
，空間電荷區的電荷密度很大，寬度較窄，隻要加不大的反向電壓
，就能建立起很強的電場，發生齊納擊穿。

雪崩擊穿

隨著反向電壓的提高
，空間電荷區內電場增強
，通過勢壘區的載流子獲得的能量也隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓Vbrshi，zhexieyoujiaogaonengliangdezailiuziyukongjiandianhequneidezhongxingyuanzixiangyufashengpengzhuangdianli
，chanshengxindedianziyikongxuedui。zhexiexinchanshengdedianzihekongxueyouhuizaidianchangdezuoyongxia，zhongxinhuodenengliang，pengzhuangqitadezhongxingyuanzishizhidianli
，zaichanshenggengduodedianziyikongxuedui。zhezhongliansuofanyingjixuxiaqu，shikongjiandianhequneidezailiuzishuliangjuzeng
，jiuxiangxuebengyiyang，shifanxiangdianliujijuzengda，chanshengjichuan。suoyibazhezhongjichuanchengweixuebengjichuan。

雪崩擊穿一般發生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較低的PN結，空間電荷區寬度較寬，發生碰撞電離的機會較多。

TVS二極管主要參數:

TVS作為浪湧保護器件，熟練掌握其關鍵參數能幫助產品選型與設計。這裏以SMC(DO-214AB)封裝大功率8kW產品8.0SMDJ係列為例展開介紹。

耗散功率，正向峰值電流，正向導通壓降，工作溫度以及熱阻等參數可以在應用中作為參考，正向導通特性僅限於單向TVS
，在一定程度上可以作為小電流泄放回路。

峰值脈衝功率Pppm

TVS二極管通常是10/1000us波(bo)形(xing)下(xia)達(da)到(dao)的(de)瞬(shun)態(tai)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)，是(shi)最(zui)大(da)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)峰(feng)值(zhi)與(yu)最(zui)大(da)鉗(qian)位(wei)電(dian)壓(ya)的(de)乘(cheng)積(ji)，鑒(jian)於(yu)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)會(hui)碰(peng)到(dao)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)的(de)浪(lang)湧(yong)衝(chong)擊(ji)，規(gui)格(ge)書(shu)同(tong)步(bu)給(gei)出(chu)了(le)峰(feng)值(zhi)脈(mai)衝(chong)功(gong)率(lv)與(yu)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)曲(qu)線(xian)作(zuo)為(wei)設(she)計(ji)參(can)考(kao)
，從(cong)曲(qu)線(xian)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，隨(sui)著(zhe)脈(mai)衝(chong)時(shi)間(jian)縮(suo)短(duan)，瞬(shun)時(shi)功(gong)率(lv)得(de)到(dao)提(ti)升(sheng)，一(yi)隻(zhi)典(dian)型(xing)的(de)TVS在脈衝8/20us下的脈衝功率是10/1000us波形下的5~10倍。

TVS二極管雪崩效應具有正溫度係數特性，即溫度越高其漏電流與鉗位電壓越高，同時因為結點溫度的限製，使得TVS二極管脈衝峰值功率在高溫下需要考慮降額。

截止電壓Vr

TVS 的截止電壓，可連續施加而不引起 TVS損壞的最高工作峰值電壓。TVS符合二極管的反向耐壓特性
，電壓越高漏電流越大，因此截止電壓通常是定義在uA級ji電dian流liu下xia
，此ci電dian流liu幅fu值zhi並bing聯lian於yu電dian路lu當dang中zhong不bu會hui對dui信xin號hao產chan生sheng衰shuai減jian，同tong時shi長chang時shi間jian工gong作zuo狀zhuang態tai下xia不bu會hui因yin為wei漏lou電dian流liu過guo大da導dao致zhi過guo熱re而er失shi效xiao。因yin此ci在zai產chan品pin選xuan型xing時shi

，電dian路lu的de最zui高gao工gong作zuo電dian壓ya必bi須xu小xiao於yuVr
，否則將會引起TVS動作導致電路異常。

漏電流Ir

漏電流
，也稱待機電流。在規定溫度和最高工作電壓條件下，流過 TVS 反向的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量

，對於一些信號端口，漏電流會為控製或通訊線路的電壓信號提供泄放通道
，所以TVS的漏電流越小越好。

擊穿電壓Vbr/測試漏電流It

擊穿電壓是TVS二極管反向截止與雪崩擊穿工作分界線，測試方式為在TVS兩端施加電壓
，直到對應的測試漏電流It為1mA或者10mA，此時測出的電壓為擊穿電壓。TVS二極管在生產時存在一致性偏差，通常選定誤差範圍為±5%，在誤差範圍以外的產品在產品出廠前會被判定為不良品而篩除。

鉗位電壓Vc/峰值脈衝電流Ipp

最大鉗位電壓與峰值脈衝電流構成了TVS二極管浪湧保護能力，即前麵講到的峰值脈衝功率Pppm。TVS 一般選用給定 10/1000μs 峰值脈衝電流波形時
， TVS 兩端測得的峰值電壓。對於相同規格TVS，在相同 峰值脈衝電流下的鉗位電壓越小，說明 TVS 的鉗位保護特性越好。

結電容Cj

TVS二極管的結電容與擊穿電壓成反比，擊穿電壓越高
，結電容越小。相比於單向TVS，雙向TVS因自身等效雙二極管反向串聯的工藝擁有更低的結電容。

眾所周知電容具有隔直通交的效果，通過RC構成時間常數，因此對於高頻信號就需要通過減小等效電阻以及結電容來減少信號衰減。TVS結電容較大通常用於頻率較低的浪湧保護，通過減小芯片尺寸以及串聯的方式可以減小TVS結電容，但是也帶來了浪湧能力減弱的情況。如下SP3401-02UTG通過整流二極管的搭配與TVS構成串聯回路，實現了不犧牲浪湧能力Ipp 10A下的低結電容Cj 0.35pF。

結電容固然對於信號有所影響，但是好的設計會適當選擇，而不是一味追求低容值
，如下來自Littelfuse結電容推薦供參考。

浪湧衝擊保護器件從材料可以分為半導體與非半導體
，其中TVS與固體放電管為半導體，壓敏與氣體放電管為非半導體，非半導體通過物理變化起到的保護作用都存在壽命衰減的概念；從保護機理可以分為鉗位型與導通型，鉗位型具有殘壓高
、吸收能量大的特點，導通型具有殘壓低、轉移能量大的特點，壓敏與TVS為(wei)鉗(qian)位(wei)型(xing)，氣(qi)體(ti)放(fang)電(dian)管(guan)與(yu)固(gu)體(ti)放(fang)電(dian)管(guan)為(wei)導(dao)通(tong)型(xing)
，導(dao)通(tong)型(xing)隻(zhi)有(you)在(zai)電(dian)壓(ya)過(guo)零(ling)時(shi)才(cai)會(hui)關(guan)斷(duan)
，因(yin)此(ci)適(shi)用(yong)於(yu)交(jiao)流(liu)回(hui)路(lu)，如(ru)果(guo)用(yong)在(zai)直(zhi)流(liu)電(dian)上(shang)
，需(xu)要(yao)與(yu)鉗(qian)位(wei)型(xing)器(qi)件(jian)搭(da)配(pei)，或(huo)者(zhe)有(you)個(ge)切(qie)斷(duan)開(kai)關(guan)。

通常產品類別的電氣特性有所區別
，因此在產品選型時要根據實際保護機製、可靠性以及成本綜合考慮。在信號端口靜電防護裏麵也會涉及到不同材料，TVS與聚合物ESD是比較常用的

，聚合物與氣體放電管相似，采用尖端放電原理
，導電材料換為聚合物，聚合物ESD具有極低結電容的特點
，尤其適用於高頻信號端口防護，當然現在的TVS通過工藝改進結電容也越做越低。

來源：Littelfuse

作者：Rambo Liu

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