TVS管选型指导

1、TVS管选型指导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%卜箝位能力强等。耐浪涌抑制电压能力特强，其脉冲功率从几百瓦一几十千瓦，脉冲峰值电流从几安一几百安。 常用的

2、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二极管的分类按极性：可分为单极性和双极性两种按用途：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。女口：各种交流电

3、压保护器、4200mA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。川I中、J图1.单向TVS工作原理说明1

4、.2 TVS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。 VWM VBR, VC, Ipp , Cd是ESD/TVS器件选型的重要参数.说明：VBR：崩溃电压IT- TVS瞬间变为低阻抗的点 VWM维持电压-在此阶段TVS为不导通之状态图2.双向TVS管V-I特性曲线图3.单向TVS管V-I特性曲线VC:钳制电压Ipp -钳制电压约略等于1.3*VBRVF:正向导通电压 IF -正向压降ID：逆向漏电流 VRWMIT：崩溃电压之测试电流IPP：突波峰值电流IF：正向导通电流1.2.1最大箝位电压 V

5、c-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。PESD5V0L2B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。Adobe AcrobatDocume ntPESD5V0L2BT datasheet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。TH F

6、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 VwrWorking Peak Reverse Voltage最大反向漏电流 I -Maximum Reverse Leakage Current V RWMV?w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VRW=（ 0.80.9）VBR。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 Vrwmv 100 rlHz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

7、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。1“ 目1 1 WM.i11厂AfV/I1 G* 1、 符號双向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

8、二极管或TVS阵列。2k 2arotpr- 口-苴旬主护两个通道 可商止疋高电王&玄卫尸人IAdobe AcrobatDocume ntLittelfuse_TVS Diode_SMBJDatasheet1.4温度考虑瞬态电压抑制器可以在55C+150C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+25C+175C，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1.5 TVS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

9、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。VRW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

10、， 也就是峰值来确定。MR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。F=33S2UT比IBFourwi眾向逅护个通道可防止迂高或者迁低电压冲击芯片1.6 TVS布局布线指导2Adobe AcrobatDocumentTVS布局指导1.7 TVS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

11、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。1.8 TVS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。TV

12、S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。关键参数或极限值TVSFE敏电阻反应速度icr12s5x10有習老化观象否冇最高便用温度175aC1I51C元件极性单极 性与五 极性单极性反向漏电流放电偵5pA200jiA7密対性质密封不透气r透气价格较贵便宜1.9 TVS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T

13、VS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

14、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

15、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