TVS管选型指导

本文摘要（由ai生成）：

TVS 管是一种应用广泛的限压型过压保护器件，具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位能力强等特点。本文介绍了 TVS 管的原理、分类、使用、选型重要参数以及温度考虑等内容，还详细介绍了 TVS 器件的参数、选型、布局布线、与其他器件的区别等方面。选用 TVS 时，需考虑最大峰值脉冲功率、最大箝位电压、最大反向工作电压等参数。TVS 失效模式包括短路、开路和电特性退化等，短路失效最为常见且对电路影响最大。引发 TVS 短路失效的主要内在质量因素包括芯片粘结界面空洞、台面缺陷、表面强积累层或强反型层、芯片裂纹、杂质扩散不均匀等。

1.1 TVS瞬态电压抑制二极管原理应用特性

       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

l按极性：可分为单极性和双极性两种

l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

l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并联于线路用于瞬间突波抑制。在正常工作状态下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

1.2TVS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：

lV_BR：崩溃电压@IT- TVS瞬间变为低阻抗的点

lV_RWM：维持电压-在此阶段TVS为不导通之状态

lV_C：钳制电压@Ipp -钳制电压约略等于1.3*VBR

lV_F：正向导通电压@IF -正向压降

lI_D：逆向漏电流＠VRWM 

lI_T：崩溃电压之测试电流

lI_PP：突波峰值电流

lI_F：正向导通电流

1

1.1

1.2

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

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）

I_PP—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，20us达到50%Ipp）

   P_PP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的正向特性与普通稳压二极管相同反向击穿拐点处近似“直角”的硬击穿为典型的PN结雪崩。从击穿点到Vc值所对应的曲线段表明当有瞬时过压脉冲时器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值并保持在这一水平上。

       双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性正反两面击穿电压的对称关系为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。

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

1.5TVS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。

1.6TVS布局布线指导

1.7TVS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。

1.8TVS与压敏电阻的区别

       目前国内不少需进行浪涌保护的设备上使用的是压敏电阻。压敏电阻是一种金属化物变阻器。TVS比压敏电阻的特性优越得多具体特性参数的比较如下表所示。

1.9TVS的短路失效模式 介绍

       TVS失效模式有短路、开路和电特性退化等。其中短路失效最为常见且对电路的影响最为严重。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，严重时引起热奔，使器件烧毁。空洞面积较小时可加速焊料热疲劳，使焊料层会产生疲劳龟裂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因主要有芯片在酸蚀成型时用于氢氟酸、硝酸混合液配方过浓或过高而反应剧烈烧焊过后进行碱腐蚀清洗时腐蚀液浓度过大温度过高而造成碱腐蚀清洗过重。

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。表面电荷被保护胶钝化并吸附或排斥半导体体内的自由载流子在pn结边缘形成表面积累层耗尽层或反型层等表面空间电荷层。在外加电压的作用下强积累层或强反型层使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。