關(guān)于SEMTECH TVS二極管性能分析介紹

TVS(Transient Voltage Suppressor)二極管，又稱瞬態(tài)抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級(jí)）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。

當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€(gè)瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現(xiàn)。

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TVS二極管的應(yīng)用：

1/ 在交流電路中的應(yīng)用

圖1所示是一個(gè)雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。

圖1 雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路

2/用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

圖2是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時(shí)還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護(hù)晶體管。建議在每個(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè)TVS管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。

圖2 TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

3/用TVS保護(hù)晶體管電路

各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性（線圈、變壓器、電動(dòng)機(jī)）負(fù)載時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生高壓反電勢，因而可能使晶體管損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用TVS作為保護(hù)器件。圖3所示為TVS保護(hù)晶體管的四種電路實(shí)例。

圖3 TVS保護(hù)晶體管電路

4/用TVS保護(hù)集成運(yùn)放

集成運(yùn)放對(duì)外界電應(yīng)力非常敏感。因此，在使用運(yùn)放的過程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會(huì)出現(xiàn)過大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖4所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路。

圖4 TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路

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4 TVS管與其他電路保護(hù)元件對(duì)比

1/ TVS二極管與穩(wěn)壓二極管：

TVS二極管和穩(wěn)壓二極管在電路都是反向接入，也就是利用它的反向特性，利用PN結(jié)雪崩效應(yīng)，在反向擊穿前均有一個(gè)臨界電壓，在反向接入電路都具有穩(wěn)壓作用，但是也不盡相同，穩(wěn)壓二極管利用的是把輸入電壓固定在某個(gè)數(shù)值，而TVS二極管主要是防止瞬態(tài)高壓對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行鉗位；

穩(wěn)壓二極管一般不會(huì)講響應(yīng)時(shí)間，更多的是關(guān)注穩(wěn)壓值，但是對(duì)于TVS二極管不一樣，它的特性決定著它擁有不同的作用，TVS二極管具有瞬態(tài)抑制高能量作用，因此要求在較短時(shí)間內(nèi)把較高能量瞬間吸收，因此這個(gè)時(shí)間很短，達(dá)到納秒級(jí)別；

穩(wěn)壓二極管的功率一般不是很大，常見的穩(wěn)壓二極管有1W、2W等，它的功率由它所允許的溫升決定，實(shí)際是穩(wěn)定電壓與電流的乘積，例如對(duì)于穩(wěn)壓二極管1N4742A，它的功率最大只有1W，穩(wěn)壓值是12V，那么通過它的電流一般不能超過80mA，要不然管子會(huì)發(fā)熱的厲害；對(duì)于TVS二極管，它講究的是瞬時(shí)脈沖功率，這個(gè)功率值很高，能達(dá)到上千瓦，只是這個(gè)時(shí)間值維持很小。

上圖：穩(wěn)壓二極管MMSZ5231B-7-F

Vz=5.1V,0.5W,±5%

2/ TVS二極管與壓敏電阻、氣體放電管：

在反應(yīng)時(shí)間上，壓敏電阻介于TVS管和氣體放電管之間，TVS管為皮秒級(jí)，壓敏電阻略慢，為納秒級(jí)；而氣體放電管最慢，通常為幾十個(gè)納秒甚至更多。

在通流容量上，壓敏電同樣介于TVS和氣體放電管之間，TVS管通常只有幾百A;而壓敏電阻按不同規(guī)格，可通過數(shù)KA到數(shù)十KA的單次8/20uS浪涌電流；而對(duì)于氣體放電管來說通常十KA級(jí)別8/20uS浪涌電流可導(dǎo)通數(shù)百次。

從原理上看，TVS管基于二極管雪崩效應(yīng)；壓敏電阻器基于氧化鋅晶粒間的勢壘作用；而氣體放電管則是基于氣體擊穿放電。

在電壓范圍方面，TVS管通常為5.5V到550V;壓敏電阻的范圍較寬，可從10V到9000V;而氣體放電管可從75V到3500V。

TVS管的非線性特性和穩(wěn)壓管一樣，擊穿前漏電流很小，擊穿后是標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓特性，比起壓敏電阻來TVS管最大箝位電壓偏離擊穿電壓較小，優(yōu)于壓敏電阻，但通流能力比壓敏電阻較小。

壓敏電阻能承受更大的浪涌電流，而且其體積越大所能承受的浪涌電流越大，最大可達(dá)幾十kA到上百kA；但壓敏電阻的非線性特性較差，大電流時(shí)限制電壓較高，低電壓時(shí)漏電流較大。

上圖：壓敏電阻V0603MHS12NH

55V 0603

3/ TVS二極管與陶瓷電容：

很多設(shè)計(jì)人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD 保護(hù)，不但便宜而且設(shè)計(jì)簡便，但這類器件對(duì)高壓的承受力卻比較弱。5kV 的沖擊會(huì)造成約10%陶瓷電容失效，到10kV 時(shí)，損壞率達(dá)到60%，而TVS二極管可以承受15kV 電壓。在手持設(shè)備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV 接觸沖擊(IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn))，可見使用TVS二極管可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。

上圖：陶瓷電容CL21B104KACNNNC

4/ TVS二極管與MLV：

多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2～3 倍，這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路。而TVS瞬態(tài)抑制二極管具有更好的電壓截止因子，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對(duì)于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因?yàn)檫^高的電容會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級(jí)。

5/ 結(jié)語

TVS瞬態(tài)抑制二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI 和RFI過濾保護(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。

另一個(gè)不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個(gè)芯片上，現(xiàn)有很多將EMI 過濾和RFI 防護(hù)等功能與TVS 集成在一起的器件，不但減少設(shè)計(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。

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5 關(guān)于SEMTECH

Semtech Corporation是高性能模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體以及高端消費(fèi)者，企業(yè)計(jì)算，通信和工業(yè)設(shè)備的高級(jí)算法的領(lǐng)先供應(yīng)商。

Semtech公司在瞬態(tài)電壓抑制（TVS）保護(hù)解決方案方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位，可保護(hù)電子系統(tǒng)免受靜電放電（ESD），閃電（浪涌）和其他破壞性電壓瞬變?cè)斐傻膿p壞或閂鎖。Semtech電路保護(hù)器件具有低鉗位電壓，低電容，低漏電流，并為業(yè)界最嚴(yán)格的抗擾度標(biāo)準(zhǔn)提供強(qiáng)大保護(hù)。