TVS(Transient Voltage Suppressors)二極管，是在齊納二極管工藝基礎(chǔ)上發(fā)明的一種新型高效電路保護(hù)元器件，亦稱TVS管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、瞬變抑制二極管、瞬態(tài)電壓抑制器、雪崩擊穿二極管等，有單向和雙向之分。當(dāng)TVS二極管的兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時(shí)，它以PS秒級(jí)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)后面的精密元器件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。

硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)速度(小于1ns)和比較高的浪涌電流吸收能力，可用于保護(hù)設(shè)備或電路，甚至集成電路、MOS器件、混合電路和其地對(duì)電壓敏感的半導(dǎo)體器件免受靜電、電感性負(fù)載切換以及感應(yīng)雷擊等所產(chǎn)生的瞬變過(guò)電壓。硅瞬變電壓吸收二極管有多種封裝方式(有表面貼裝、普通二極管封裝等等)，可滿足不同場(chǎng)合的需要(如其中有一款16腳雙列直插封裝的硅瞬變電壓吸收二極管列陣包含了多達(dá)8～12對(duì)對(duì)地連接的二極管，特別適合于對(duì)數(shù)字設(shè)備數(shù)據(jù)線及I/O線的保護(hù))。

1、工作原理與器件特點(diǎn)

硅瞬變電壓吸收二極管與常用的半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管工作原理一樣，都具有限壓功能，但后者常被用在調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)電壓和小電流箝位中，沒(méi)有特別強(qiáng)調(diào)對(duì)付暫態(tài)脈沖的吸收。硅瞬變電壓吸收二極管則是專門(mén)用在抑制暫態(tài)過(guò)電壓，與穩(wěn)壓管相比，它有著更為優(yōu)越的保護(hù)特性，為此硅瞬變電壓吸收二極管有如下特點(diǎn)：

⑴有較大的結(jié)面積，使通流能力較強(qiáng)。

⑵管內(nèi)有特殊材料(鉬或鎢)制成的散熱片，故散熱條件較好，有利于管子吸收較大的暫態(tài)功率。

⑶由于結(jié)面積增大了，管子的寄生電容也就相應(yīng)增大，其值達(dá)到幾百甚至數(shù)千pF，使它在高頻下使用受到限制。

2、主要特性參數(shù)

主要參數(shù)有擊穿電壓、最大箝位電壓、峰值脈沖吸收功率和結(jié)電容等。

⑴額定直流持續(xù)工作電壓VWM。在額定的工作溫度內(nèi)，只要外施電壓不超過(guò)此值，硅瞬變電壓吸收二極管絕對(duì)不會(huì)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通或微通狀態(tài)。實(shí)用中所選器件的這一參數(shù)必須大于或等于被保護(hù)線路的最大工作電壓。

⑵最小擊穿電壓VBR(min)。在規(guī)定的恒流測(cè)試電流IT下，所測(cè)得的管子兩端最小電壓。

⑶最大箝位電壓VC。指管子通過(guò)額定峰值10/1000μs電流波時(shí)，在管子兩端出現(xiàn)的峰值電壓的最大值。

⑷峰值脈沖電流IPP。測(cè)試管子特性所使用的10/1000μs峰值電流波。

⑸峰值脈沖功率PP。在額定的10/1000μs峰值電流波下，管子兩端的最大箝位電壓與管子通過(guò)電流峰值的乘積。

⑹漏電流ID。在管子兩端施逆向電壓VWM時(shí)，所測(cè)到的管子通過(guò)電流。

⑺測(cè)試電流IT。用來(lái)測(cè)試管子反向擊穿電壓的直流恒流電流，在多數(shù)情況下的IT為1mA。

⑻順向壓降VF。只有單極性器件有此數(shù)據(jù)。一般以額定的正弦波電流通過(guò)半個(gè)周波時(shí)的壓降表示，VF<3.5V。

⑼結(jié)電容CO。結(jié)電容由硅瞬變電壓吸收二極管的結(jié)面積決定。并在特定的偏置電壓及特定的頻率(通常是1MHz)下測(cè)得。

常用的硅瞬變電壓吸收二極管有500W、600W、1.5kW、

5kW和15kW(指峰值脈沖功率)等多種規(guī)格。如下圖舉例相關(guān)的電氣特性為例，以便熟悉這種器件的特點(diǎn)，詳見(jiàn)下附表所示。

“1.5KE”系列硅瞬變電壓吸收二極管的最大額定參數(shù)如下：

①25℃時(shí)的峰值脈沖功率達(dá)到1.5kW。

②25℃時(shí)的穩(wěn)態(tài)功率為5W(引線長(zhǎng)度3/8″)。

③響應(yīng)時(shí)間(從0V至VBR min)<1ns;對(duì)雙向硅瞬變電壓

吸收二極管，<10ps。

④重復(fù)率(占空比)為0.01%。

⑤25℃時(shí)順向浪涌電流的額定值為200A(60Hz交流電，半個(gè)周波)。

⑥工作與貯存溫度為-65℃～+125℃。

下面兩圖給出了該系列器件峰值脈沖功率與脈沖寬度之間的關(guān)系;引線溫度與額定功率降額使用之間的關(guān)系。

3、分析

⑴根據(jù)可能出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓極性選用單向極性管或是雙向極性管。

⑵管子的最大箝位電壓應(yīng)低于被保護(hù)電子元件或設(shè)備的耐受水平。

⑶應(yīng)估計(jì)管子在抑制暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)可能吸收的最大功率，并按此來(lái)選擇管子的脈沖功率。只是不同的波形要通過(guò)峰值脈沖功率—脈沖寬度曲線來(lái)合理選擇。

⑷前述表格中所給參數(shù)都是在25℃時(shí)作出的，隨環(huán)境溫度變化，吸收功率的值應(yīng)降額使用，可參考降額曲線來(lái)確定降額的程度。

⑸表格中IPP時(shí)的最大箝壓電壓與擊穿電壓的關(guān)系相當(dāng)于氧化物壓敏電阻中殘余電壓與壓敏電壓之間的關(guān)系。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出兩者之比大約在1.3～1.6之間，比壓敏電阻的殘壓比要小得多，這表明硅瞬變電壓吸收二極管有一定動(dòng)態(tài)電阻，但比壓敏電阻要小得多，限壓要精確得多。所以硅瞬變電壓吸收二極管常用在精密限壓中;或用在組合式保護(hù)器的最后一級(jí)(靠近設(shè)備的這一級(jí))。

4、應(yīng)用

與其他瞬變干擾吸收器件(氣體放電管、壓敏電阻和固體放電管)相比，硅瞬變電壓吸收二極管的吸收能力相對(duì)較弱，價(jià)格相對(duì)較貴。基于這情況，對(duì)小電流負(fù)載可在保護(hù)電路適當(dāng)串聯(lián)一個(gè)電阻，限制流入二極管的浪涌電流，以便采用峰值吸收功率小的二極管來(lái)替代功率較大的二極管，從而降低保護(hù)成本。前提是增加的電阻要不影響被保護(hù)電路的工作。圖中給出了這種情況的說(shuō)明。原先用5kW硅瞬變電壓吸收二極管處理的a線路，現(xiàn)由于在b線路串入一個(gè)25Ω的電阻，使二極管的吸收電流要減至a線路的1/13.5(電源線路的浪誦試驗(yàn)發(fā)生器內(nèi)阻為2Ω)，因此b線路只要用500W的二極管就足夠了。而附加電阻由于靜態(tài)功率消耗甚少，可以用一個(gè)額定功率為3W的線繞電阻來(lái)?yè)?dān)當(dāng)(理論上可以用額定功率更小的金屬膜或碳膜電阻來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，但這些電阻的抗沖擊能力較弱)。

對(duì)于雷擊，同一地點(diǎn)不可能高速重復(fù)出況;但是對(duì)于同一電路中的功率開(kāi)關(guān)、繼電器以及電機(jī)的控制，硅瞬變電壓吸收二極管就可能遭受短時(shí)間、但是重復(fù)出現(xiàn)的瞬態(tài)過(guò)電壓。針對(duì)后一種情況，在二極管里要引入平均功率的概念。通過(guò)計(jì)算短暫脈沖的寬度及脈沖的占空比來(lái)確定吸收脈沖的平均功率，要求此值小于二極管額定的穩(wěn)態(tài)功率。圖示為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)在繞組中感應(yīng)出來(lái)的一系列頻率為120Hz、寬度為4μs、峰值電流為25A的脈沖。在此例中選用表面貼裝的硅瞬變電壓吸收二極管，箝位至11.2V。這樣，二極管的峰值脈沖吸收功率為PP=11.2V × 25A=280W二極管的平均吸收功率為Pavg=280W ×(4×10-6)s /(1/120)s=0.134W一個(gè)實(shí)際選出的二極管應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件。

硅瞬變電壓吸收二極管在高速傳輸電路上使用時(shí)，要特別注意它的結(jié)電容帶來(lái)的有害作用。從附表3可以看到，低電壓硅瞬變電壓吸收二極管有著相應(yīng)大的結(jié)電容，用在信號(hào)傳輸電路上，會(huì)造成信號(hào)的畸變。作為改進(jìn)措施，可在硅瞬變電壓吸收二極管支路中串聯(lián)一個(gè)高速二極管。因?yàn)楦咚俣O管有較小的結(jié)電容，二個(gè)相互串聯(lián)的電容的等效電容為C1C2/(C1+C2)，所以等效電容取決于電容量小的這個(gè)電容。下頁(yè)的表格是部分高速二極管的特性參教。下圖給出幾例采用串聯(lián)高速二極管降低硅瞬變電壓吸收二極管結(jié)電容影響的方案。

硅瞬變電壓吸收二極管的最高限是電壓不超過(guò)440V，表面貼裝的硅瞬變電壓吸收二極管還不超過(guò)170V。當(dāng)將這些硅瞬變電壓吸收二極管串聯(lián)起來(lái)就可獲得更高限壓。只是等效管的最大吸收電流取決于電流最低的這一個(gè)管子。順便指出，硅瞬變電壓吸收二極管一般不宜通過(guò)并聯(lián)方法來(lái)提高管子電流，因?yàn)樵趯?shí)用中難于找到幾個(gè)特性完全一致的管子。這樣，經(jīng)常是一個(gè)管子過(guò)載(甚至是嚴(yán)重過(guò)載)、另一個(gè)欠載，但最終落得一個(gè)兩敗俱傷的結(jié)果。

硅瞬變電壓吸收二極管的工作特性與一壓敏電阻很相似，與氣體放電管的應(yīng)用也有相通之處。因此前兩種器件的使用注意事項(xiàng)在硅瞬變電壓吸收二極管中也有類同之處，如：

①引線要短;

②盡量安裝在瞬變電壓發(fā)生處;

③為避免電磁耦合，附近應(yīng)沒(méi)有信號(hào)線和電源線經(jīng)過(guò)。

TVS二極管憑借PS級(jí)響應(yīng)速度、大瞬態(tài)功率、低漏電流和電容、箝位電壓易控制、擊穿電壓偏差小、可靠性高、體積小、安裝方便等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于敏感電子零件過(guò)壓保護(hù)中，在汽車(chē)電子、消費(fèi)類電子、工業(yè)設(shè)備、家用電器、通訊設(shè)備等領(lǐng)域均能看到TVS二極管的身影。

審核編輯：湯梓紅