一.TVS管概述

當TVS管(瞬態電壓抑制器)兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，能以 10 的負 12 次方秒量級的速度，將兩極間的高阻抗變為低阻抗，使兩極間的電壓箝位于一個預定的值，有效地保護電子線路中的精密元器件。

在浪涌電壓作用下，TVS 兩極間的電壓由額定反向關斷電壓 VWM 上升到擊穿電壓 VBR，而被擊穿。

隨著擊穿電流的出現，流過 TVS 的電流將達到峰值脈沖電流 IPP，同時在其兩端的電壓被鉗位到預定的最大鉗位電壓 VC 以下。

其后，隨著脈沖電流按指數衰減，TVS 兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態。

TVS 管有單向與雙向之分，單向 TVS 管的特性與穩壓二極管相似，雙向 TVS管的特性相當于兩個穩壓二極管反向串聯。

二.其主要特性參數

1、反向截止電壓 VRWM 與反向漏電流 IR：反向截止電壓 VRWM 表示 TVS 管不導通的最高電壓，在這個電壓下只有很小的反向漏電流 IR。

2、擊穿電壓 VBR：TVS 管通過規定的測試電流時的電壓，這是表示 TVS 管導通的標志電壓。

3、脈沖峰值電流 IPP：TVS 管允許通過的 10/1000μs 波的最大峰值電流(8/20μs 波的峰值電流約為其 5 倍左右)，超過這個電流值就可能造成永久性損壞。

在同一個系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小，一般是幾 A～幾十 A。

4、最大箝位電壓 VC：TVS 管流過脈沖峰值電流 IPP 時兩端所呈現的電壓。

5、脈沖峰值功率 Pm：脈沖峰值功率 Pm 是指 10/1000μs 波的脈沖峰值電流 IPP 與最大箝位電壓 VC 的乘積，即 Pm=IPP*VC。

在給定的最大鉗位電壓下，功耗 PM 越大，其浪涌電流承受能力也就越大，在給定的功耗 PM 下，鉗位電壓越低，其浪涌電流的承受能力越大。

另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形，持續時間和環境溫度有關：典型的脈沖波形持續時間為 1ms，當施加到二極管上的脈沖波形持續時間小于 TP，則隨著 TP 的減小脈沖峰值功率增加，TVS 所能承受的瞬態脈沖式不重復的，如果電路內出現重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積可能損壞 TVS。

6、穩態功率 P0：TVS 管也可以作穩壓二極管用，這時要使用穩態功率。

7、極間電容 Cj：與壓敏電阻一樣，TVS 管的極間電容 Cj 也較大，且單向的比雙向的大，功率越大的電容也越大，極間電容會影響 TVS 的響應時間。

三.優點及缺點

優點：響應速度快，為 ns 級、瞬態功率大、漏電流低;其 10/1000μs 波脈沖功率從 400W～30KW，脈沖峰值電流從 0、52A～544A;擊穿電壓有從 6、8V～550V 的系列值，便于各種不同電壓的電路使用。

缺點：耐浪涌沖擊能力較放電管和壓敏電阻差;穩壓二極管：反應較慢;一般用于電壓精度要求高的地方(一般較小)，防浪涌，擊穿電壓精準，各壓值檔都有;齊納擊穿;壓敏電阻：與穩壓二極管相似，但不可恢復。

四.選型依據及注意事項

1、TVS 的最大反向鉗位電壓 VC 應小于被保護電路的損壞電壓。

2、TVS 的額定反向關斷電壓 VWM 要大于或等于被保護電路的最大工作電壓， 若選用的 VWM 太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作; 串行連接分電壓，并行連接分電流。

3、交流電壓只能用雙向 TVS。

4、在規定的脈沖持續時間內，TVS 的最大峰值脈沖功率 PM 必須大于被保護電路可能出現的峰值脈沖功率，在確定了最大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態浪涌電流。

5、結電容是影響 TVS 在高速線路中使用的關鍵因素，在這種情況下，一般用一個 TVS 管和一個快恢復二極管以背對背的方式連接，由于快恢復二極管有較小的結電容，因而二者串聯的等小電容也較小，可以滿足高頻使用的要求。

6、需要考慮降額使用的應用;應用場合：功率開關電路;整流二極管(與之同向);電源變壓器;防直流電源反接或電源通斷時產生的瞬時脈沖;抑制電機，斷電器線圈，螺線管等感性負載產生的瞬時脈沖電壓;控制系統的輸入輸出端。

7、確定被保護電路的最大直流或連續工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。

8、對于數據接口電路的保護，還必須注意選取具有合適寄生電容的TVS器件。

9、根據用途選用TVS的極性及封裝結構，交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護選用TVS陣列更為有利。

10、溫度考慮，瞬態電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作，如果需要TVS在一個變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大;功耗隨TVS結溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線性下降50%與擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數增加，因此，必須查閱有關產品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。

11、處理瞬時脈沖對元件損害的最好辦法是將瞬時電流從感應元件引開，TVS二極管在線路板上與被保護線路進行并聯，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便產生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結果是瞬時電流透過二極管被引開，避開被保護元件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。

當瞬時脈沖結束以后，TVS二極管自動回復高阻狀態，整個回路進入正常電壓，許多元件在承受多次沖擊后，其參數及性能會產生退化，而只要工作在限定范圍內，二極管將不會產生損壞或退化。

使用注意事項：

1、對瞬變電壓的吸收功率峰值與瞬變電壓脈沖寬度間的關系，手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率峰值，實際線路中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計，對寬脈沖應降額使用。

2、對小電流負載的保護，可有意識地在電路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值合適，不影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減小，這就有可能選用峰值功率較小的 TVS 管來對小電流負載電路進行保護。

3、對重復出現的瞬變電壓的抑制，要注意 TVS 管的穩態平均功率是否在安全范圍之內。

4、環境溫度升高時要降額使用，TVS 管的引線長短，它與被保護線路的相對距離。

五.應用舉例

直流電路中選用舉例：整機直流工作電壓 12V，最大允許安全電壓 25V(峰值)，浪涌源的阻抗 50MΩ，其干擾波形為方波，TP=1ms，最大峰值電流 50A。選擇：

1、先從工作電壓 12V 選取最大反向工作電壓 VRWM 為 13V，則擊穿電壓為 V(BR)=VRWM/0.85=15.3V;

2、從擊穿電壓值選取最大箝位電壓VC(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V，取 VC=20V;

3、再從箝位電壓 VC 和峰值電流 IP 計算出方波脈沖峰值功率：PPR=VC×IP=20×50=1000W。

4、計算折合為 TP=1MS 指數波的峰值功率，折合系數 K1=1.4， PPR=1000W÷1.4=715W 交流電路選用舉例：直流線路采用單向瞬變電壓抑制二極管，交流則必須采用雙向瞬變電壓抑制二極管。

交流是電網電壓，這里產生的瞬變電壓是隨機的，有時還遇到雷擊(雷電感應產生的瞬變電壓)所以很難定量估算出瞬時脈沖功率 PPR。

但是對最大反向工作電壓必須有正確的選取，一般原則是交流電壓乘 1.4 倍來選取 TVS 管的最大反向工作電壓，直流電壓則按 1.1—1.2 倍來選取 TVS 管的最大反向工作電壓VRWM，TVS 保護直流穩壓電源實例：

圖中是一個直流穩壓電源，并有擴大電流輸出的晶體管，在其穩壓輸出端加上瞬變電壓抑制二極管，可以保護使用該電源的儀器設備，同時還可以吸收電路中的集電極到發射極間的峰值電壓，保護晶體管，建議在每個穩壓電源輸出端加一個TVS 管，可以大幅度提高整機應用的可靠性。

還有用 TVS 保護晶體管，集成電路，可控硅，功率 MOS 管即在在柵源之間加上瞬變電壓抑制二極管，可防止柵極擊穿，繼電器等。

繼電器的觸點往往用大電流去開關電動機等大電流電感負載，而電感在開關時有很高的反電勢而且有較大的能量，往往把觸點燒壞或擊穿產生電弧等，必須對觸點采取保護，抑制電弧的產生，以保護繼電器。

但是這種電弧產生的浪涌電流很大，過去采用電容或者用電容串聯電阻、二極管、二極管串聯電阻等抑制方案，現在采用瞬變電壓抑制二極管方案效果更好。

直流電源防護設計

室外網口防護電路

注意，TVS管的寄生電容可能影響信號完整性，可以使用壓敏電阻放在變壓器抽頭，作為防護電路，支持更高速率的網口設計。

232防護電路設計

485防護電路設計

六.壓敏電阻 VS TVS管

1、材料本征響應時間由上面的導通機理分析可以知道，氧化鋅壓敏陶瓷導電機理是隧道擊穿，所以其材料響應時間就是其隧道電子擊穿時間，一般為0.3ns。

TVS管導電機理是雪崩擊穿，其響應時間就是其雪崩電子擊穿時間，一般在0.5~1ns之間。

2、產品結構對響應時間影響片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨石結構，其寄生電感非常小，對其響應時間影響甚微，有些設計人員談到的壓敏電阻響應時間慢主要指用于AC端防浪涌的插件壓敏電阻，因為較長的引線引入寄生的電感導致響應時間較慢(25ns)。

而TVS管為了SMT要求，在其兩端設計電極引線，也會產生寄生電感，對其響應時間有一定影響。

而ESD放電波形一般在1nS達到峰值，這就需要過電壓防護器件在1nS內迅速響應，鉗制過電壓，保護IC和ESD敏感線路。

從響應時間看，片式壓敏電阻和TVS的響應時間都滿足ESD防護的需求，從而起到良好的防護效果。

綜合以上分析和對比，片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制電壓較低，瞬態內阻較小，適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位，如聽筒、MIC、音頻等。

而壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強，除了一般的ESD防護，也特別適合于電源部位和較大瞬態能量的部位過壓防護。

在響應時間方面，要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應時間慢的誤區。

由于工藝的差異，片式壓敏電阻的價格要遠低于TVS，表現出良好的性價比，設計人員可以根據電路的實際應用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。

TVS 是半導體保護器件，具有響應速度快，可靠性高的優點，弱點一是無法承受太大的瞬間電流，二是其箝位電壓隨著電流增加而增加。

特別適合于不需要旁路大能量的低電壓場合應用，示例電路如下：

壓敏電阻的突破承載取決于它的物理尺寸，因而可以獲得較高的浪涌電流值，其箝位特性使他可以為AC或DC電源線應用中作為瞬態保護元件，壓敏電阻的價格較為低廉。

相比TVS二極管它的缺點是寄生電容較大，響應時間較慢，離散性大，另外壓敏電阻會產生蛻化，因此存在可靠性和性能問題。

實例電路AC200V電源防雷：

DC12V/24V 電源防雷：

七.陶瓷氣體放電管 VS TVS管

陶瓷氣體放電管：主要用于線路中的防雷和過壓保護，氣體放電管指作過電壓保護用的避雷管或天線開關管一類，管內有二個或多個電極，充有一定量的惰性氣體，氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件，它用在通信系統的防雷保護。

當外加電壓增大到超過氣體的絕緣強度時，兩極間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平。

GDT 的特點是大通流量、高耐壓值、極低的結間電容。缺點是多次工作后性能下降需要更換，并且在有源接口應用時必須要注意維持電壓或者續流問題，因此一般也多配合壓敏電阻使用。GDT的工作模式：

雷擊電壓通過不同電壓防護器件的波形

八.TSS管 VS TVS管

圖 TSS管的原理圖符號

電壓開關型瞬態抑制二極管(TSS)與TVS管相同，也是利用半導體工藝制成的限壓保護器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。

當TSS管兩端的過電壓超過TSS管的擊穿電壓時，TSS管將把過電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續這種短路狀態，直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后，TSS恢復開路狀態。

TSS是電壓開關型瞬態抑制二極管，就是涌抑制晶體管或者叫做導體放電管，固體放電管等等。

TSS管是利用半導體工藝制成的保護器件，主要用于信號電路的防雷保護，不能用在電源端口。

TSS器件的通流容量一般最高可達到150A(8/20uS)。

TSS管和TVS管都是利用半導體工藝制成的限壓保護器件，TSS管是電壓開關型的，TVS是電壓鉗位型的。

TSS管在響應時間，結電容方面與TVS管是相同特點，易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管適合于信號電平較高的信號電路保護。

TSS管在響應時間、結電容方面具有與TVS管相同的特點。

易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動作后，將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這時二極管的結壓降小，所以用于信號電平較高的線路，例如模擬用戶線、ADSL等。

TSS適合于信號電平較高的信號線路的保護。

在使用TSS管時，需要注意的一個問題是：TSS管在過電壓作用下擊穿后，當流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后TSS管才恢復開路狀態，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態電流應小于TSS管的臨界恢復電流。

臨界恢復電流值隨TSS管的型號和設計應用場合的不同而不同，使用時應注意在器件手冊中查明所用具體型號的確切值。

TSS管的擊穿電壓、通流容量是電路設計時應重點考慮的，在信號回路中時，應當有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。

TSS管較多應用于信號線路的防雷保護。

TSS管的失效模式主要是短路，但當通過的過電流太大時，也可能造成TSS管被炸裂而開路，TSS管的使用壽命相對較長。

審核編輯：湯梓紅