TVS選型指南

提到TVS，大部分電子工程師基本都知道是用來端口防護(hù)的，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級電路的損壞。 今天我們就一起了解一下TVS如何選型。

01工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。 它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個 PN 結(jié)或多個 PN 結(jié)集成的器件。 TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應(yīng)用于直流供電電路，雙向 TVS 應(yīng)用于電壓交變的電路。

如圖 1 所示，應(yīng)用于直流電路時單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時，TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。 當(dāng)電路出現(xiàn)異常過電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過電壓導(dǎo)致的瞬時過電流到地，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級電路免遭異常過電壓的損壞。 當(dāng)異常過電壓消失后，TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

圖1：TVS工作原理

02關(guān)鍵參數(shù)

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關(guān)鍵的參數(shù)。

(1) Vrwm截止電壓

TVS 的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓 。 對于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 V RWM 下，TVS 認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。 換一句話，電路的最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會導(dǎo)致TVS動作導(dǎo)致電路異常。

(2) I R 漏電流

漏電流，也稱待機(jī)電流。 在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過 TVS 的最大電流。 TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于某一型號 TVS, I R 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。 對 TVS 兩端施加電壓值為 V RWM ，從電流表中讀出的電流值即為 TVS的漏電流 I R 。 對于同功率和同電壓的 TVS，在 V RWM ≤10V 時，雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。 對于一些模擬端口，漏電流會影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

(3) VBR 擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流 I T 或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。 測試的電流It一般選取10mA左右，施加的電流的時間不應(yīng)超過400ms，以免損壞器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 擊穿電壓的一個偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。 測量時，V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之間視為合格品。

(4) I PP 峰值脈沖電流 ，V C 鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。 TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。 鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 I PP 時，TVS 兩端測得的峰值電壓。 I PP 及 V C 是衡量 TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個參數(shù)是相互聯(lián)系的。 對于 TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可以參考 V C 這個參數(shù)。 對于相同型號 TVS，在相同 I PP 下的V C 越小，說明 TVS 的鉗位特性越好。 TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 I PP ，同型號的 TVS，I PP 越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。

(5)結(jié)電容CI，漏電流Ir

結(jié)電容是TVS中的寄生電容，在高速IO端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注，過大的結(jié)電容可能會影響信號的質(zhì)量 。 漏電流主要帶來了功率的損耗，或者是在模擬信號中，會影響AD信號的采樣值。

圖2 ：廠家一般都是提供10/1000μs的測試波形

圖3 ：TVS的關(guān)鍵參數(shù)

03選型過程

了解了TVS的基本參數(shù)，我們就開始進(jìn)入最重要的TVS選型的過程了。 選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標(biāo)：

1.電壓合適能保護(hù)后級電路；

2.引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路；

3.TVS功率余量充足，滿足測試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險管先掛。

選型的過程可以按照以下的步驟進(jìn)行：

1.選擇TVS最高工作電壓Vrmw； 2. 選擇TVS鉗位電壓VC； 3.選擇TVS的功率； 4.評估漏電流Ir的影響； 5.評估結(jié)電容的影響。

【選擇TVS最高工作電壓Vrmw】

在電路正常工作情況下，TVS 應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。 這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會影響電路工作。 但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過高，如果太高，鉗位電壓也會較高，所以在選擇 Vrwm 時，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級電路的承受能力。 要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。 綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ； --------其中VCC為電路的最高工作電壓。

【選擇選擇TVS鉗位電壓VC】

TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 I PP 都成正比。 對于同一功率等級的 TVS，其擊穿電壓越高 V C 也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。 否則，當(dāng)TVS鉗在Vc時會對電路造成損壞。 Vc可以參考以下的公式：

VC＜Vmax ； -----其中Vmax為電路能承受的最高電壓。

【選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）】

TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。 對于不同功率等級的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 V C 值是一樣的，只是 I PP 不同。 故 Pppm 與 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。 對于某一電路 ，有對應(yīng)的測試要求，設(shè)實(shí)際電路中的最大測試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：

Iactual=Uactual/Ri； ---------其中 Uactual 為測試電壓，Ri為測試內(nèi)阻。

TVS 要通過測試，故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 為：-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實(shí)際測試波形為其他波形，如 8/20μs波形，建議di/dt取，如測試波形為 10/1000μs，取，實(shí)際選型中，TVS 應(yīng)留有一定的裕量，TVS 的功率PPMP 選擇應(yīng)遵循Pppm＞Pactual。

根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評估影響

如果TVS 用在高速IO端口防護(hù)、模擬信號采樣、低功耗設(shè)備場合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。

04選型舉例

數(shù)據(jù)都是無趣的，我們以實(shí)際的案例舉例：

電路的正常工作電壓VCC是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗(yàn)的測試波形為 8/20μs波形，測試電壓500V，測試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計為2Ω。 根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。

圖4：設(shè)計舉例

1) 選擇TVS最高工作電壓

Vrmw≈1.11.2*VCC=26185

2) 選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

3) 計算實(shí)際測試波形功率：

協(xié)議=50*（500/3）*1/2=4166W

根據(jù)計算結(jié)果，可以選用5.0SMDJ26A這個TVS，由于這個TVS用在電源端口，結(jié)電容和漏電流基本可以忽略不計。

審核編輯：湯梓紅