搞懂TVS管，有这篇文章就够了

摘要：本文主要介绍TVS的工作原理、关键参数和选型。

TVS(Transient Voltage Suppressors，瞬态电压抑制器)又称雪崩击穿二极管，是一种高效电路保护器件，主要是保护电路不受瞬态高压尖峰脉冲(静电或雷击浪涌)的冲击。

TVS是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件，其电气特性是由PN结面积、掺杂浓度及晶片阻质决定的，耐突波电流的能力与PN结面积成正比。

当TVS的反向电压小于工作电压\(V_{RWM}\)时，TVS处于高阻态，基本可认为不导通；当TVS的反向电压大于击穿电压\(V_{BR}\)时，TVS的阻抗开始迅速下降，并且TVS的反向电压将几乎不变。

当TVS受到反向瞬态高压尖峰脉冲冲击时，TVS以ps级的速度由高阻抗变为低阻抗，将大部分的能量快速吸收，并且钳位电压由击穿电压上升至最大箝位电压\(V_C\)，随着脉冲电流呈指数下降，钳位电压也逐渐下降，恢复到原来状态，有效地保护电子线路元器件免受各种形式的脉冲冲击。

由于静电和浪涌的能量、峰值电流、波形和持续时间的不同，TVS在受到静电和浪涌冲击时的电压波形也不同。

TVS受到+8KV的ESD冲击时的电压波形

TVS受到峰值电流\(I_{PP}\)为62A的浪涌(8/20uS)冲击时的电压波形

最大反向工作电压就是当TVS管反向工作电流为\(I_R\)(一般\(I_R\)为0.1uA~1uA)时，TVS管两端的电压值。此时TVS管处于不导通状态，即最大反向工作电压为TVS管不导通的最高电压。

为了不影响电路正常工作，应使\(V_{RWM}\)不低于被保护器件或线路的正常工作电压；从漏电的角度考虑，特别是超低功耗产品设计中，\(V_{RWM}\)与被保护信号的工作电压差值越大，漏电流则越小。

漏电流是指在最大反向工作电压条件下，流过TVS的最大电流。一般来说，\(I_R\)是个uA级以下的小电流，此时TVS管只有很小的功耗。

当TVS用于高阻抗电路时，漏电流是一个重要的参数，比如：在ADC采样电路中，漏电流可能影响ADC的采样值。

击穿电压就是当TVS管反向工作电流为\(I_{BR}\)(一般\(I_{BR}\)为1mA~10mA)时，TVS管两端的电压值。击穿电压是TVS管导通的标志，当反向电压超过击穿电压，随着反向电压增大，反向电流将急剧增加。

通常击穿电压和最大反向工作电压有如下公式： $$V_{RWM}=(0.8\sim0.9)V_{BR}\tag{1}$$

最大反向脉冲峰值电流是指TVS按照IEC61000-4-5或GB/T 17626.5标准，使其工作在规定的电流脉冲(8/20uS或10/1000uS)波形下，TVS允许通过的最大峰值电流。

如果data sheet中只标注了8/20uS脉冲下的峰值电流，我们可以通过峰值脉冲功率-时间曲线进行转换，来获得10/1000uS脉冲波形的峰值电流。

在1000uS时，峰值功率大致为65W，并且又因为TVS能够承受不损坏自身的电压是固定的，所以10/1000uS波形下的峰值功率为：65W/15V=4.3A。 注：ESD5651N的最大钳位电压为15V。

对于data sheet中没有上述关系图的TVS，可以按照保守点的经验值估算：相同的TVS在8/20uS的脉冲下测得的峰值电流将是10/1000uS脉冲下的5倍。

最大箝位电压是指在峰值电流为\(I_{PP}\)的8/20uS脉冲作用下TVS两端箝住的电压，一般取30ns时的电压值。\(V_{C(max)}\)应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，否则后级被保护电路将损坏。

最大箝位电压与击穿电压之比称为箝位系数，即：箝位系数=\(V_{C(max)}\)/\(V_{BR}\)，一般箝位系数为1.3左右。

当对TVS施加ESD时，可通过下图电路测量出TVS两端的电压波形，从而可清晰地知道TVS在ESD作用下的箝位电压和反应时间。

脉冲峰值功率是指在规定的脉冲条件下，TVS瞬间能承受的最大功率值，反映了TVS浪涌抑制能力。

TVS的\(P_{PK}\)取决于脉冲峰值电流\(I_{PP}\)和最大箝位电压\(V_{C(max)}\)，但是除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。

所以最终TVS的脉冲峰值功率计算公式为：

式中\(K_1\)为功率系数，\(K_2\)为温度系数，\(K_3\)为时间系数。

功率系数\(K_1\)取值如表2.1，8/20uS的电流波可认为是标准波。

温度系数\(K_2\)可通过data sheet中的功率降额 VS 环境温度曲线直接获取。

时间系数\(K_3\)可根据峰值脉冲功率-时间曲线直接按比例转换。

结电容是指TVS的寄生电容，它由PN结面积和反向电压决定。同一个系列的TVS，功率越大，结面积就越大，寄生电容也越大；同一个TVS的结电容随反向电压的增加而减小，在击穿时减到最小。

参考罗广孝、崔翔等人的《TVS静电抑制器等效电路参数估算及应用》可知，结电容的大小会影响TVS的响应时间，电容越大，TVS响应时间越长。

另外结电容也会影响电路中信号的传输质量，结电容越大，对信号影响越大。所以针对不同的信号，特别是高速信号，需要选择合适的结电容才能保证正常的通信，表2.2为德州仪器(TI)关于常见接口中的结电容的推荐值。

表2.2 常见接口中TVS结电容推荐表