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TVS二极管:专题详解
发布时间 : 2019-12-11 14:16:27 浏览量 :

 TVS二极管,是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,    它具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。

 

二极管

 

第一部分  特性

 

 

定义

 

TVS二极管,又称瞬态抑制二极管,是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

 

特点

 

TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其箝位响应时间仅为1ps(10^-12S)。

TVS允许的正向浪涌电流在T =25℃,T=10ms条件下,可达50~200A 。

双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压箝制到预定水平,双向TVS适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。

 

TVS器件分类:

按极性可分为:单极性和双极性两种;

按用途可分为:通用型和专用型;

按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率?榈取

轴向引线的欧洲杯外围峰值功率可达400W、500W、600W、1500W和5000W。

其中大功率的欧洲杯外围主要用在电源馈线上,低功率欧洲杯外围主要用在高密度安装场合。对于高密度安装的场合,也可以选择双列直插和表面贴装等封装形式。


 

 

TVS二极管

 

第二部分  介绍与应用

 

便携式设备的ESD保护十分重要,而TVS二极管是一种十分有效的保护器件,与其它器件相比有其独特的优势,但在应用时应当针对不同的保护对象来选用器件,因为不同的端口可能受到的静电冲击有所不同,不同器件要求的保护程度也有不同。要注意相应的参数鉴别以及各个生产商的不同设计,同时还要进行合理的PCB布局。

在这里介绍下便携式设备的ESD保护中如何应用TVS二极管器件。 

便携式设备如笔记本电脑、手机、PDA、MP3播放器等,由于频繁与人体接触极易受到静电放电(ESD)的冲击,如果没有选择合适的保护器件,可能会造成机器性能不稳定,或者损坏。 

一般情况下,对此类设备暴露在外面可能与人体接触的端口都要求进行防静电保护,如键盘、电源接口、数据口、I/O口等等。现在比较通用的ESD标准是IEC61000-4-2,应用人体静电模式,测试电压的范围为2kV~15kV(空气放电),峰值电流最高为20A/ns,整个脉冲持续时间不超过60ns。在这样的脉冲下所产生的能量总共不超过几百个微焦尔,但却足以损坏敏感元器件。

便携式设备所采用的IC器件大多是高集成度、小体积欧洲杯外围,精密的加工工艺使硅晶氧化层非常薄,因而更易击穿,有的在20V左右就会受到损伤。传统的保护方法已不再普遍适用,有的甚至还会造成对设备性能的干扰。

 

 

二极管

 

TVS二极管的特点 

可用于便携式设备的ESD保护器件有很多,例如设计人员可用分立器件搭建保护回路,但由于便携设备对于空间的限定以及避免回路自感,这种方法已逐渐被更加集成化的器件所替代。多层金属氧化物器件、陶瓷电容还有二极管都可以有效地进行防护,它们的特性及表现各有不同,TVS二极管在此类应用中的独特表现为其赢得了越来越大的市场。 

TVS二极管最显着的特点一是反应迅速,使瞬时脉冲在没有对线路或器件造成损伤之前就被有效地遏制,二是截止电压比较低,更适用于电池供电的低电压回路环境。另外对TVS二极管设计的改进使其具有更低的漏电流和结电容,因而在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现。

 

 

TVS二极管

 

TVS二极管的优势 

TVS与齐纳二极管:与传统的齐纳二极管相比,TVS二极管P/N结面积更大,这一结构上的改进使TVS具有更强的高压承受能力,同时也降低了电压截止率,因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。 

VS与陶瓷电容:很多设计人员愿意采用表面贴装的陶瓷电容作ESD保护,不但便宜而且设计简便,但这类器件对高压的承受力却比较弱。5kV的冲击会造成约10%陶瓷电容失效,到10kV时,损坏率达到60%,而TVS可以承受15kV电压。在手持设备的使用过程中,由于与人体频繁接触,各个端口必须至少能够承受8kV接触冲击(IEC61000-4-2标准),可见使用TVS可以有效保证最终欧洲杯外围的合格率。

TVS与MLV:多层金属氧化物结构器件(MLV)也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制,此类器件具有非线性电压-电流(阻抗表现)关系,截止电压可达最初中止电压的2~3倍,这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的保护,如电源回路。而TVS二极管具有更好的电压截止因子,同时还具有较低的电容,这一点对于手持设备的高频端口非常重要,因为过高的电容会影响数据传输,造成失真或是降级。TVS二极管的各种表面封装均适合流水线装配的要求,而且芯片结构便于集成其它的功能,如EMI和RFI过滤保护等,可有效降低器件成本,优化整体设计。 

另一个不能忽略的特点是二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上,现有很多将EMI过滤和RFI防护等功能与TVS集成在一起的器件,不但减少设计所采用的器件数目降低成本,而且也避免PCB板上布线时易诱发的伴生自感。

 

 

 

TVS二极管

 

TVS器件的选用

在选用TVS时,应考虑以下几个主要因素:

(1)若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时,应当选用双极性的,否则可选用单极性。

(2)所选用TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压,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,否则器件面临被损坏的危险。

(3)TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态,最好处于VR以下,应综合考虑VR和VC两方面的要求来选择适当的TVS。

(4)如果知道比较准确的浪涌电流IPP,则可利用VCIpp来确定功率;如果无法确定IPP的大致范围,则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。 (5)TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,不然有可能损坏TVS。

(6)对于小电流负载的保护,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,一般不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。但这样可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。

(7)电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据/信号频率越高的回路,二极管的电容对电路的干扰越大,形成噪声或衰减信号强度也大,因此,需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS,电容不大于3 pF),而对电容要求不高的回路,电容的容量选择可高于40pF。 

(8)为了满足IEC61000-4-2国际标准,TVS二极管必须达到可以处理最小8 KV(MB,接触)和15 kV(BM,空气)的ESD冲击,有的半导体生产厂商在自己的欧洲杯外围上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用,设计者可以按需要挑选器件。

 

 

 

二极管

 

区分TVS二极管的单双向

 

直流保护一般选用单向TVS管,交流保护一般选用双向TVS管,多路保护选用TVS阵列器件,大功率保护选用TVS专用保护?椤5窍啾绕渌牡缏繁;て骷苯拥难⌒陀τ茫TVS二极管在测试前还是先区分其单双向。虽然最终的作用是一样的,但是单双向的适用范围还是有差别的,双向TVS管适用于交流电路,单向TVS管一般用于直流电路。

可以直接用万用表测

  <1>测量二极管的档位,单向一边通,双向两边都有电压;

  <2>测直流,双向对称,单向只有反向是雪崩击穿特性,一般1mA下测。

  所有TVS管放大后会有根阴极线,它是用来区分二极管的正负极的,与单双向无关。

 

二、单/双向使用上的不同点

  1.单向用在直流。双向用在交流;单向tvs管保护器件仅能对正脉冲或者负脉冲进行防护,而双向tvs管保护器件一端接要保护的线路,一端接地,无论来自反向还是来自正向的ESD脉冲均被释放,更有效地保护了IC。

  2. 单向TVS管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。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;双向TVS管的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。

  3.极间电容Cj

  单向的比双向的大,以LRC的为例,单向的电容C有65PF,双向的只有15PF;

  4.USB数据线上全部用的双向;

  5.电流曲线不同。单方向的TVS管的电路符号与普通的稳压管相同,其正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。双向二极管正反向都是典型的PN结雪崩器件。

  三、双向TVS管可以当成单向来用么?

  从市场上看TVS管双向的应用范围更广,从欧洲杯外围单价上看基本没有差别,关键参数电容C越低越好,这就导致电子市场和小型工厂普遍采用双向的TVS管。但通过以上的分析比对,单向和双向有诸多的不同,很多地方可以用双向替双向,但具体用哪种最主要的还是看工程的电路设计,有些只能用单向的TVS。

 

 

 

TVS二极管

 

TVS管器件的主要参数

 

(1)最小击穿电压VBR

  当TVS流过规定的电流时,TVS两端的电压称为最小击穿电压,在此区域,TVS管呈低阻抗的通路。在25℃时,低于这个电压,TVS管是不会发生雪崩击穿的。

(2)额定反向关断电压VWM

  VWM是TVS管在正常状态时可承受的电压,此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。但它又需要尽量与被保护电路的正常工作电压接近,这样才不会在TVS管工作以前使整个电路面对过压威胁。按TVS管的VBR与标准值的离散度,可把VBR分为5%和10%两种,对于5%的VBR来说,VWM=0.85VBR腿;而对于10%的VBR来说,VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脉冲电流IPP

  IPP是TVS管在反向状态工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。

(4)箝位电压Vc

  当脉冲峰值电流Ipp流过TVS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1.2~1.4之间。实际使用时,应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压,否则被保护器件将面临被损坏的可能。

(5)最大峰值脉冲功耗PM

  PM通常是最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积,也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS管能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大钳位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。而且,TVS管所能承受的瞬态脉冲是不可重复施加的。

(6)电容量C

  TVS管的电容是由其硅片的截面积和偏置电压来决定的,它是在1 MHz特定频率下测得的。C的大小与TVS管的电流承受能力成正比,C太大,将使信号衰减。因此,电容C是数据接口电路选用TVS管的重要参数。

(7)漏电流IR

  IR是最大反向工作电压施加到TVS管上时,TVS管的漏电流。当TVS管用于高阻抗电路时,这个漏电流IR一个重要参数。

 

 

 

稳压管和TVS管的工作原理

  稳压二极管(又叫齐纳二极管),是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件,在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。
  TVS(Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器)是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此,TVS可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压,以及感应雷所产生的过电压。
  TVS管和稳压管一样,也是反向应用的。其中VR称为最大转折电压,是反向击穿之前的临界电压。VB是击穿电压,其对应的反向电流IT一般取值为1 mA。VC是最大箝位电压,当TVS管中流过的峰值电流为IPP的大电流时,管子两端电压就不再上升了。因此TVS管能够始终把被保护的器件或设备的端口电压限制在VB~VC的有效区内。与稳压管不同的是,IPP的数值可达数百安培,而箝位响应时间仅为1×10-12s。TVS的最大允许脉冲功率为PM=VCIPP,且在给定最大钳位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大。
  
稳压管和TVS管的异同


  电子系统的应用当中,电压及电流的瞬态干扰会经常造成电子设备的损坏,瞬态干扰的显著特点是作用时间极短,但电压幅度高、瞬态能量大,所以破坏性很大。为了防止这种破坏,TVS管得到了广泛的应用,TVS(Transient Voltage Suppressor)是一种在稳压管工艺基础上发展起来的一高效能的电路保护器件,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,当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高的速度(最高达1*10-12秒)使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。欧洲杯外围在一些精密电子设备中经?梢钥吹絋VS二极管作为ESD防护的主要手段之一。
  作为二者的共同点,它们都可以用来稳压,并且都工作在反向截止状态下,其正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。但是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。

 

TVS二极管

附深圳市赛特微电子TVS二极管欧洲杯外围图