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1、TVS二极管在电路设计中的应用摘要：瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor)是一种保护敏感元器件免受 ESD和EMI浪涌脉冲的有效、低成本的器件。本文介绍了 TVS二极管的特性及关键参数；给出了 TVS二极管选型及在电路设计中的典型应用，同时给出了 TVS二极管的性能优化及使用时注意事 项。关键词：TVS；电路设计；元器件保护 Abstract: Transient voltage suppression is an effective low-cost chip, to protect sensitive electronic component fro
2、m electrostatic discharge and electromagnetic interference surge interference. In this article , will describes as below : 1). the characteristics and Key parameters of Transient voltage suppression; 2). How to select Transient voltage suppression and the typical application in circuit design, 3).th
3、e Transient voltage suppression performance optimization and operating precautions.Key words: TVS; circuit design; electronic component protection引言瞬态抑制(TVS)二极管又叫箝位型二极管，是目前普遍使用的一种高效能电路保护 器件，它的外型与普通二极管相同，但其吸收的浪涌功率可达数千瓦，它的主要特点是在 反向应用条件下，当承受一个高能量的脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而 允许大电流通过，同时把电压箝制在预定水平，其响应时间1ns，因此可
4、有效地保护电子 线路中的精密元器件。具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、损坏极限较高、体积小等优点。1 TVS二极管的特性及关键参数1.1 TVS二极管的特性在规定的反向应用条件下，TVS二极管对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电 压超过其击穿电压时，TVS二极管就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式使流向 被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS 二极管的箝位电压。当过压条件消失后，TVS二极管又恢复到高阻抗状态。1.2 TVS二极管的关键参数1.2.1最小击穿电压Vbr器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流
5、Ibr（ 一般情况IBR=1mA）下，测得 器件两端的电压称为最小击穿电压。1.2.2反向断态电压VRWMTVS二极管最大连续工作的直流或脉冲电压，该电压施加于TVS二极管的两极间 时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流Ir。1.2.3脉冲峰值电流Ipp反向工作时，在规定的脉冲波形（如：10/1000 s双指数波形）条件下，器件允 许通过的最大浪涌电流。1.2.4最大箝位电压VC当脉冲峰值电流Ipp流过TVS二极管时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压VC。VC和IPP反映了 TVS二极管的浪涌抑制能力。通常把VC与Vbr之比称为箝位因子（系 数），其值一般在1.21
6、.4之间。1.2.5脉冲峰值功率Ppp脉冲峰值功率Ppp是指脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积，即Ppp = IPPXVC。它是TVS二极管能承受的最大峰值功率。在给定的最大箝位电压下，脉冲峰值功 率Ppp越大，其浪涌电流的承受能力越大。1.2.6结电容& JTVS二极管结电容Cj是由其硅片的雪崩结截面和偏置电压来决定的，是在特定频 率（1MHz）下测得。Cj的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比，Cj太大，将使信 号衰减。因此，电容Cj是数据接口电路选用TVS二极管的重要参数。1.2.7最大反向漏电流IR当反向断态电压VRWM施加到TVS二极管上时，TVS二极管对应的电流IR。2选
7、用TVS二极管的注意事项在选用TVS二极管时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：a）若TVS二极管有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压冲击时，优先选用双极 性。交流电路必须选用双极性TVS二极管；多线保护选用TVS二极管阵列。大功率保护 选用TVS二极管专用保护模块。b）所选用TVS二极管的VC值必须低于被保护元件的最高工作电压（峰值），也不 能大于被保护回路的可承受极限电压，否则被保护元件有可能被损坏。c）TVS二极管的反向断态电压VRWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。 若选用的vrwm太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。d）TVS二极管在正常工
8、作状态下不能处于击穿状态，所承受的电必须处于VRWM 以下，应综合考虑VRWM和VC两方面的要求来选择适当的器件型号。e）利用VCXIPP来确定功率，如果没有准确的IPP值，可根据电磁兼容试验数据或 经验值来确定。f）结电容的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比，但Cj过大将使信号衰 减。对于信号频率越高的电路，结电容对电路的影响越大，形成噪声也较大。在实际使用 电路信号频率较高时，需要考虑结电容参数，如果多个节点并联使用，应特别关注。高频 回路一般选择电容量小的LCTVS管（如USB2.0口，要求结电容低于3pF），或者用一个 TVS二极管与一个快恢复二极管以背对背方式连接。g）TVS二极
9、管可在-55C+150C温度范围内工作。由于其反向漏电流IR是随温 度增加而增大、功耗随TVS管结温增加而下降，大约线性下降；击穿电压随温度的增加按 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。h）在规定的脉冲持续时间内，TVS二极管的最大峰值脉冲功率Ppp必须大于被保 护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态 浪涌电流。一般TVS二极管的最大峰值脉冲功率是以10/1000s的非重复脉冲给出的，而 实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。i）TVS二极管应用在继电器、功率开关或电机控制等场合下，需要承受
10、有规律的、 短暂的脉冲群冲击，应考虑这种冲击对平均稳态功率参数选择的影响。j）不能通过并联使用提高吸收功率。k）选用TVS二极管阵列不但可以大大节约PCB板的空间，而且可减少由于回路 复杂而可能诱发的寄生性线路自感影响。l）当TVS二极管用于高阻抗电路时，漏电流是一个重要的参数。3 TVS二极管在电路设计中的典型应用在实际应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏 感器件引开。为达到这一目的，将TVS二极管在PCB上与被保护器件并联。这样，当瞬 时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个 超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS二极
11、管被引开，从而避开被保护器件，并且 电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压，在此之后，当瞬时脉冲结束以后， TVS二极管在自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。以下是TVS二极管在电 路应用中的几个典型实例。3.1 TVS二极管在交流电路中的应用如图1所示，这是一个双向TVS二极管在交流电路中的应用，可以有效地抑制电 网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。Ocspiaol 996. blog. 图1 TVS二极管应用于交流电路如图2所示，单向TVS二极管并联于整流管旁侧，以保护整流管不被瞬时脉冲击穿。图2 TVS二极管应用于整流电路3.2 TVS二极管应
12、用于直流稳压电源保护图3是一个直流稳压电压，在其输出端加上TVS二极管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，从而保护晶体 管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS二极管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。o非稳压直流输入电压调节器TVS 2稳压输出cspiao 1986.blog. IS3.CGim图3 TVS二极管应用于直流稳压电源保护3.3 TVS二极管应用于晶体管电路保护各种瞬变电压会使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，当晶体管集电极有感性（继电器线圈、变压器、电动机）负载时，通常会产生高压反电势，可能损坏晶体管。在实际应 用中，建议采
13、用TVS二极管作为保护器件。图4所示为TVS二极管应用于晶体管电路的保护实例。图4 TVS二极管用于晶体管电路保护3.4集成电路的保护由于现代IC的集成度越来越高，而其耐压则越来越低，因而很容易受到瞬变电压 的冲击而损坏，故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网络， 为了可靠起见，在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图5中给出了用TVS二极管 对CMOS器件进行保护的有关电路措施。VccOTVS1.o COMS o入r_出-Vss.cspiao 1906. blog. 图5 TVS二极管集成电路保护实例3.5 TVS二极管应用于集成电路运放保护集成运放对外界电应力非常
14、敏感，图6所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。图6 TVS二极管应用于集成运放保护13.6 TVS二极管应用于通信端口保护通信总线需要与外部很多设备进行数据交换，要增加浪涌防护功能；如图7所示，TVS二极管对管在RS-485收发器接口处实现共模浪涌防护功能。RS 4 85cspiao1986.blcg. 16CSAD图7通信端口保护电路4 TVS二极管性能优化4.1器件摆放位置TVS二极管在进出PCB的I/O连接器上的数据和电源线上使用，器件尽量接近噪 声源，确保浪涌电压可以在脉冲耦合到邻近PCB导线之前被钳位。另外，PCB应使用较短 的TVS二极管导线，减少浪涌能量的消耗。
15、图8提供了 PCB布局建议的实例。好MPCB布扃不良的PCB布扃cspiaol 905. blog. 图8 TVS二极管器件放置示意图4.2环路区将TVS二极管与被保护器件间的距离尽量加大可以提高防护效果，但却可能增加 环路区的面积大小，如图9所示。应根据应用情况调整TVS二极管与被保护器件的距离。高速薮字信号环路区域旧6连图9环路区域4.3走线方式避免被保护回路和未实施保护的回路并联，接口信号线路和接地线路应先连接保护器件，然后再进入回路的其它部分，如图10所示。好的走线方式图（危差的走线方式nrcspiao1986.blcg. I图o）图10布线示意图4.4接地选择a）原则上，保护器件应和被保护器件接在同一个地上。泄放电流Il100A时，TVS二极管应先接至保护地上，然后再接机壳地。4.5 TVS二极管应放置于
