搞懂TVS管，有这篇文章就够了
摘要：本文主要介绍TVS的工作原理、关键参数和选型。
TVS(Transient Voltage Suppressors，瞬态电压抑制器)又称雪崩击穿二极管，是一种高效电路保护器件，主要是保护电路不受瞬态高压尖峰脉冲(静电或雷击浪涌)的冲击。
一、工作原理
TVS是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件，其电气特性是由PN结面积、掺杂浓度及晶片阻质决定的，耐突波电流的能力与PN结面积成正比。
当TVS的反向电压小于工作电压\(V_{RWM}\)时，TVS处于高阻态，基本可认为不导通；当TVS的反向电压大于击穿电压\(V_{BR}\)时，TVS的阻抗开始迅速下降，并且TVS的反向电压将几乎不变。
当TVS受到反向瞬态高压尖峰脉冲冲击时，TVS以ps级的速度由高阻抗变为低阻抗，将大部分的能量快速吸收，并且钳位电压由击穿电压上升至最大箝位电压\(V_C\)，随着脉冲电流呈指数下降，钳位电压也逐渐下降，恢复到原来状态，有效地保护电子线路元器件免受各种形式的脉冲冲击。
由于静电和浪涌的能量、峰值电流、波形和持续时间的不同，TVS在受到静电和浪涌冲击时的电压波形也不同。
TVS受到+8KV的ESD冲击时的电压波形
TVS受到峰值电流\(I_{PP}\)为62A的浪涌(8/20uS)冲击时的电压波形
二、关键参数
2.1 最大反向工作电压\(V_{RWM}\)
最大反向工作电压就是当TVS管反向工作电流为\(I_R\)(一般\(I_R\)为0.1uA~1uA)时，TVS管两端的电压值。此时TVS管处于不导通状态，即最大反向工作电压为TVS管不导通的最高电压。
为了不影响电路正常工作，应使\(V_{RWM}\)不低于被保护器件或线路的正常工作电压；从漏电的角度考虑，特别是超低功耗产品设计中，\(V_{RWM}\)与被保护信号的工作电压差值越大，漏电流则越小。
2.2 漏电流\(I_R\)
漏电流是指在最大反向工作电压条件下，流过TVS的最大电流。一般来说，\(I_R\)是个uA级以下的小电流，此时TVS管只有很小的功耗。
当TVS用于高阻抗电路时，漏电流是一个重要的参数，比如：在ADC采样电路中，漏电流可能影响ADC的采样值。
2.3 击穿电压\(V_{BR}\)
击穿电压就是当TVS管反向工作电流为\(I_{BR}\)(一般\(I_{BR}\)为1mA~10mA)时，TVS管两端的电压值。击穿电压是TVS管导通的标志，当反向电压超过击穿电压，随着反向电压增大，反向电流将急剧增加。
通常击穿电压和最大反向工作电压有如下公式：
$$V_{RWM}=(0.8\sim0.9)V_{BR}\tag{1}$$
2.4 最大脉冲峰值电流\(I_{PP}\)
最大反向脉冲峰值电流是指TVS按照IEC61000-4-5或GB/T 17626.5标准，使其工作在规定的电流脉冲(8/20uS或10/1000uS)波形下，TVS允许通过的最大峰值电流。
如果data sheet中只标注了8/20uS脉冲下的峰值电流，我们可以通过峰值脉冲功率-时间曲线进行转换，来获得10/1000uS脉冲波形的峰值电流。
在1000uS时，峰值功率大致为65W，并且又因为TVS能够承受不损坏自身的电压是固定的，所以10/1000uS波形下的峰值功率为：65W/15V=4.3A。
注：ESD5651N的最大钳位电压为15V。
对于data sheet中没有上述关系图的TVS，可以按照保守点的经验值估算：相同的TVS在8/20uS的脉冲下测得的峰值电流将是10/1000uS脉冲下的5倍。
2.5 最大箝位电压\(V_{C(max)}\)
最大箝位电压是指在峰值电流为\(I_{PP}\)的8/20uS脉冲作用下TVS两端箝住的电压，一般取30ns时的电压值。\(V_{C(max)}\)应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，否则后级被保护电路将损坏。
最大箝位电压与击穿电压之比称为箝位系数，即：箝位系数=\(V_{C(max)}\)/\(V_{BR}\)，一般箝位系数为1.3左右。
当对TVS施加ESD时，可通过下图电路测量出TVS两端的电压波形，从而可清晰地知道TVS在ESD作用下的箝位电压和反应时间。
2.6 脉冲峰值功率\(P_{PK}\)
脉冲峰值功率是指在规定的脉冲条件下，TVS瞬间能承受的最大功率值，反映了TVS浪涌抑制能力。
TVS的\(P_{PK}\)取决于脉冲峰值电流\(I_{PP}\)和最大箝位电压\(V_{C(max)}\)，但是除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。
所以最终TVS的脉冲峰值功率计算公式为：
式中\(K_1\)为功率系数，\(K_2\)为温度系数，\(K_3\)为时间系数。
功率系数\(K_1\)取值如表2.1，8/20uS的电流波可认为是标准波。
温度系数\(K_2\)可通过data sheet中的功率降额 VS 环境温度曲线直接获取。
时间系数\(K_3\)可根据峰值脉冲功率-时间曲线直接按比例转换。
2.7 结电容\(C_{PP}\)
结电容是指TVS的寄生电容，它由PN结面积和反向电压决定。同一个系列的TVS，功率越大，结面积就越大，寄生电容也越大；同一个TVS的结电容随反向电压的增加而减小，在击穿时减到最小。
参考罗广孝、崔翔等人的《TVS静电抑制器等效电路参数估算及应用》可知，结电容的大小会影响TVS的响应时间，电容越大，TVS响应时间越长。
另外结电容也会影响电路中信号的传输质量，结电容越大，对信号影响越大。所以针对不同的信号，特别是高速信号，需要选择合适的结电容才能保证正常的通信，表2.2为德州仪器(TI)关于常见接口中的结电容的推荐值。
表2.2 常见接口中TVS结电容推荐表
| 接口 | ESD电容建议值 | TI推荐产品 |
|---|---|---|
| GPIO | <30pF | TPD1E10B06 |
| Push Button | <30pF | TPD1E10B06 |
| Audio | <10pF | TPD1E10B09 |
| USB 2.0 | <2.5pF | TPD1E05U06 |
| USB 3.0 | <0.5pF | TPD4E05U06 |
| USB 3.1 Gen2 | <0.3pF | ESD122 |
| HDMI 1.4 | <0.7pF | TPD4E05U06 |
| HDMI 2.0 | <0.5pF | TPD4E02B04 |
| Ethernet | <5pF | TPD4E1U06 |
| Antenna | <0.2pF | TPD1E01B04 |
| 4-20mA Loop | <80pF | TVS3300 |
2.8 动态电阻\(R_{DYN}\)
动态电阻是当导致击穿的反向电压施加到TVS时，V-I曲线上两个指定高电流点处的电流斜率，即：$$R_{DYN}=\frac{(V_C-V_{BR})}{I_{PP}}\tag{3}$$
三、TVS选型
3.1 选择最大反向工作电压
在电路正常工作情况下，TVS应该处于截止状态，即TVS的\(V_{RWM}\)应大于被保护电路的最高工作电压；但是，如果TVS的工作电压\(V_{RWM}\)选取过大，会导致钳位电压\(V_C\)过大，而超过电路的最高瞬态耐受电压。所以在选择\(V_{RWM}\)时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力：
其中\(V_{CC}\)为电路的最高工作电压。
对于会被漏电流影响的电路，如模拟采样、低功耗等电路，\(V_{RWM}\)应尽量选择大一点，以保证TVS在正常工作电压下的漏电流不会影响电路工作。
3.2 选择箝位电压
箝位电压\(V_C\)应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压；否则，当TVS钳在\(V_C\)时会对电路造成损坏。
对于浪涌管，箝位电压\(V_C\)的选择可参考以下公式：
其中\(V_{MAX}\)为电路能承受的最高瞬态电压，根据周文俊、王继业等人在2001年发表的《常用通信接口芯片过电压耐受能力》，可知微电子器件最低耐受电压建议采用1.5倍正常工作电压作为其过电压保护器件的最高残压。
对于ESD管，箝位电压\(V_C\)的选择可参考以下公式：
式中\(V_{MAX}\)为电路能承受的最高瞬态电压；\(V_{C@ESD}\)为ESD管承受相应等级的静电接触放电时的箝位电压，如果该参数data sheet中没有明确给出，也可以通过传输线脉冲(TLP)响应曲线来找到与静电等级对应的箝位电压，这是因为TLP曲线与IEC61000-4-2波形具有相似的特性。
TLP电流与静电等级对应关系如表4.1所示。
表4.1 ESD等级与TLP测试电流对应表
| ESD等级 | IEC61000-4-2波形 | 电流(TLP曲线) |
|---|---|---|
| 1 | 接触：2KV 空气：2KV | 4A |
| 2 | 接触：4KV 空气：4KV | 8A |
| 3 | 接触：6KV 空气：8KV | 12A |
| 4 | 接触：8KV 接触：15KV | 16A |
3.3 选择额定瞬态功率
ESD管选型时，通常data sheet中会直接说明抗静电能力，所以基本不需要考虑额定瞬态功率；但是对浪涌管来说，额定瞬态功率是一个非常重要的参数。
理论上，TVS的额定瞬态功率越大，其能够承受的冲击能量和次数越多；但是功率越大，封装越大，成本也越高；所以TVS的额定瞬态功率只需要满足测试要求：大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率即可。
电路中最大瞬态浪涌功率通常是根据产品的使用环境(可参考GB/T 17626.5附录A)或者用户自定义的浪涌等级来选择的。则假设实际电路中最大测试电流为\(I_{PP}\)，则\(I_{PP}\)可估算为：
其中\(U_{PP}\)为测试电压，即浪涌等级；\(R_i\)为测试内阻，通常电源线差模测试为2Ω，电源线共模测试为12Ω，通信线为42Ω。
通过上式计算出脉冲峰值电流后，再通过下式计算出电路中的最大瞬态浪涌功率。
所以浪涌管的额定瞬态功率稍大于上述计算出的最大瞬态浪涌功率即可。
如式(2)，浪涌管的额定瞬态功率还和设备的工作温度有关，所以选型时需要按照温度降额曲线来选择；另外实际使用中可以再预留一定比例(30%~50%)的余量。
根据公式计算的脉冲峰值功率在极短的时间内对TVS是不可重复施加的，但是在实际应用中，浪涌通常是重复地出现。所以，即使单个脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但若重复施加，这些单个脉冲能量积累起来，在某些情况下，也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此，电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件，使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。
3.4 选择结电容
在高速信号的防护中，若TVS的结电容过大则会影响信号正常通讯，此时选择一个合适的结电容则是至关重要的，常见信号接口结电容选型可参考表2.2。
有时为了获得较大的\(P_{PPM}\)，TVS的结面积就会增加，从而导致寄生电容也增加；这时可以通过TVS的串并联设计来降低TVS的寄生电容，详情可参考《简述如何减小TVS寄生电容的应用》。
四、示例
整机直流工作电压12V，浪涌源的阻抗50MΩ，其干扰波形为方波，\(T_P=1mS\)，最大峰值电流50A。
- 先从工作电压12V选取最大反向工作电压\(V_{RWM}=13V\)；
- 从最大反向工作电压选取最大箝位电压\(V_{C(max)}=1.5*V_{RWM}=19.5V\)，取\(V_{C(max)}=18V\)；
- 再从箝位电压\(V_C\)和最大峰值电流\(I_P\)计算出方波脉冲功率：\(P_{PP}=V_C*I_P=18*50=900W\)；
- 将方波脉冲功率转换为\(T_P=1mS\)指数波的峰值功率，折合系数\(K_1=1.4\)，\(P_{PP}=900÷1.4=643W\)；
- 再考虑温度因素(62.5℃时\(K_2=0.7\))，峰值脉冲功率为\(P_{PP}=643÷0.7=924W\)，所以取\(P_{PP}=1000W\)；
综上，选择的TVS参数为：\(V_{RWM}=13V，V_{C(max)}=18V，P_{PP}=1000W@10/1000uS\)；
