一.TVS管概述

當(dāng)TVS管(瞬態(tài)電壓抑制器)兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，能以 10 的負(fù) 12 次方秒量級(jí)的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗箖蓸O間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定的值，有效地保護(hù)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(guān)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(xiàn)，流過(guò) TVS 的電流將達(dá)到峰值脈沖電流 IPP，同時(shí)在其兩端的電壓被鉗位到預(yù)定的最大鉗位電壓 VC 以下。

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

TVS 管有單向與雙向之分，單向 TVS 管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向 TVS管的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。

二.其主要特性參數(shù)

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(dǎo)通的最高電壓，在這個(gè)電壓下只有很小的反向漏電流 IR。

2、擊穿電壓 VBR：TVS 管通過(guò)規(guī)定的測(cè)試電流時(shí)的電壓，這是表示 TVS 管導(dǎo)通的標(biāo)志電壓。

3、脈沖峰值電流 IPP：TVS 管允許通過(guò)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(guò)這個(gè)電流值就可能造成永久性損壞。

在同一個(gè)系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過(guò)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(guò)脈沖峰值電流 IPP 時(shí)兩端所呈現(xiàn)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(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)：典型的脈沖波形持續(xù)時(shí)間為 1ms，當(dāng)施加到二極管上的脈沖波形持續(xù)時(shí)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(tài)脈沖式不重復(fù)的，如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積可能損壞 TVS。

6、穩(wěn)態(tài)功率 P0：TVS 管也可以作穩(wěn)壓二極管用，這時(shí)要使用穩(wěn)態(tài)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(huì)影響 TVS 的響應(yīng)時(shí)間。

三.優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，為 ns 級(jí)、瞬態(tài)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(diǎn)：耐浪涌沖擊能力較放電管和壓敏電阻差;穩(wěn)壓二極管：反應(yīng)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(zhǔn)，各壓值檔都有;齊納擊穿;壓敏電阻：與穩(wěn)壓二極管相似，但不可恢復(fù)。

四.選型依據(jù)及注意事項(xiàng)

1、TVS 的最大反向鉗位電壓 VC 應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

2、TVS 的額定反向關(guān)斷電壓 VWM 要大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓， 若選用的 VWM 太低，器件可能進(jìn)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(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS 的最大峰值脈沖功率 PM 必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)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(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

5、結(jié)電容是影響 TVS 在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè) TVS 管和一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)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(yīng)用;應(yīng)用場(chǎng)合：功率開(kāi)關(guān)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(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖;抑制電機(jī)，斷電器線圈，螺線管等感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖電壓;控制系統(tǒng)的輸入輸出端。

7、確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。

8、對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適寄生電容的TVS器件。

9、根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)，交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

10、溫度考慮，瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作，如果需要TVS在一個(gè)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(jié)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(shù)增加，因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。

11、處理瞬時(shí)脈沖對(duì)元件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從感應(yīng)元件引開(kāi)，TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TVS二極管便產(chǎn)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流透過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護(hù)元件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。

當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓，許多元件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會(huì)產(chǎn)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會(huì)產(chǎn)生損壞或退化。

使用注意事項(xiàng)：

1、對(duì)瞬變電壓的吸收功率峰值與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系，手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率峰值，實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)，對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。

2、對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)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(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小，這就有可能選用峰值功率較小的 TVS 管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)。

3、對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，要注意 TVS 管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

4、環(huán)境溫度升高時(shí)要降額使用，TVS 管的引線長(zhǎng)短，它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。

五.應(yīng)用舉例

直流電路中選用舉例：整機(jī)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?gòu)捏槲浑妷?VC 和峰值電流 IP 計(jì)算出方波脈沖峰值功率：PPR=VC×IP=20×50=1000W。

4、計(jì)算折合為 TP=1MS 指數(shù)波的峰值功率，折合系數(shù) 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(wǎng)電壓，這里產(chǎn)生的瞬變電壓是隨機(jī)的，有時(shí)還遇到雷擊(雷電感應(yīng)產(chǎn)生的瞬變電壓)所以很難定量估算出瞬時(shí)脈沖功率 PPR。

但是對(duì)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(lái)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(lái)選取 TVS 管的最大反向工作電壓VRWM，TVS 保護(hù)直流穩(wěn)壓電源實(shí)例：

圖中是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，并有擴(kuò)大電流輸出的晶體管，在其穩(wěn)壓輸出端加上瞬變電壓抑制二極管，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時(shí)還可以吸收電路中的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，保護(hù)晶體管，建議在每個(gè)穩(wěn)壓電源輸出端加一個(gè)TVS 管，可以大幅度提高整機(jī)應(yīng)用的可靠性。

還有用 TVS 保護(hù)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(diǎn)往往用大電流去開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)等大電流電感負(fù)載，而電感在開(kāi)關(guān)時(shí)有很高的反電勢(shì)而且有較大的能量，往往把觸點(diǎn)燒壞或擊穿產(chǎn)生電弧等，必須對(duì)觸點(diǎn)采取保護(hù)，抑制電弧的產(chǎn)生，以保護(hù)繼電器。

但是這種電弧產(chǎn)生的浪涌電流很大，過(guò)去采用電容或者用電容串聯(lián)電阻、二極管、二極管串聯(lián)電阻等抑制方案，現(xiàn)在采用瞬變電壓抑制二極管方案效果更好。

直流電源防護(hù)設(shè)計(jì)

室外網(wǎng)口防護(hù)電路

注意，TVS管的寄生電容可能影響信號(hào)完整性，可以使用壓敏電阻放在變壓器抽頭，作為防護(hù)電路，支持更高速率的網(wǎng)口設(shè)計(jì)。

232防護(hù)電路設(shè)計(jì)

485防護(hù)電路設(shè)計(jì)

六.壓敏電阻 VS TVS管

1、材料本征響應(yīng)時(shí)間由上面的導(dǎo)通機(jī)理分析可以知道，氧化鋅壓敏陶瓷導(dǎo)電機(jī)理是隧道擊穿，所以其材料響應(yīng)時(shí)間就是其隧道電子擊穿時(shí)間，一般為0.3ns。

TVS管導(dǎo)電機(jī)理是雪崩擊穿，其響應(yīng)時(shí)間就是其雪崩電子擊穿時(shí)間，一般在0.5~1ns之間。

2、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)時(shí)間影響片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨(dú)石結(jié)構(gòu)，其寄生電感非常小，對(duì)其響應(yīng)時(shí)間影響甚微，有些設(shè)計(jì)人員談到的壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間慢主要指用于AC端防浪涌的插件壓敏電阻，因?yàn)檩^長(zhǎng)的引線引入寄生的電感導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間較慢(25ns)。

而TVS管為了SMT要求，在其兩端設(shè)計(jì)電極引線，也會(huì)產(chǎn)生寄生電感，對(duì)其響應(yīng)時(shí)間有一定影響。

而ESD放電波形一般在1nS達(dá)到峰值，這就需要過(guò)電壓防護(hù)器件在1nS內(nèi)迅速響應(yīng)，鉗制過(guò)電壓，保護(hù)IC和ESD敏感線路。

從響應(yīng)時(shí)間看，片式壓敏電阻和TVS的響應(yīng)時(shí)間都滿足ESD防護(hù)的需求，從而起到良好的防護(hù)效果。

綜合以上分析和對(duì)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(tài)內(nèi)阻較小，適合應(yīng)用于耐ESD電壓特別差或者被保護(hù)部位阻抗特別小的部位，如聽(tīng)筒、MIC、音頻等。

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

在響應(yīng)時(shí)間方面，要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應(yīng)時(shí)間慢的誤區(qū)。

由于工藝的差異，片式壓敏電阻的價(jià)格要遠(yuǎn)低于TVS，表現(xiàn)出良好的性價(jià)比，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)電路的實(shí)際應(yīng)用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。

TVS 是半導(dǎo)體保護(hù)器件，具有響應(yīng)速度快，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，弱點(diǎn)一是無(wú)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(chǎng)合應(yīng)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(yīng)用中作為瞬態(tài)保護(hù)元件，壓敏電阻的價(jià)格較為低廉。

相比TVS二極管它的缺點(diǎn)是寄生電容較大，響應(yīng)時(shí)間較慢，離散性大，另外壓敏電阻會(huì)產(chǎn)生蛻化，因此存在可靠性和性能問(wèn)題。

實(shí)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(guò)壓保護(hù)，氣體放電管指作過(guò)電壓保護(hù)用的避雷管或天線開(kāi)關(guān)管一類，管內(nèi)有二個(gè)或多個(gè)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(hù)元件，它用在通信系統(tǒng)的防雷保護(hù)。

當(dāng)外加電壓增大到超過(guò)氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，兩極間的間隙將放電擊穿，由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，導(dǎo)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(diǎn)是大通流量、高耐壓值、極低的結(jié)間電容。缺點(diǎn)是多次工作后性能下降需要更換，并且在有源接口應(yīng)用時(shí)必須要注意維持電壓或者續(xù)流問(wèn)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(guò)不同電壓防護(hù)器件的波形

八.TSS管 VS TVS管

圖 TSS管的原理圖符號(hào)

電壓開(kāi)關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管(TSS)與TVS管相同，也是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)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(dāng)TSS管兩端的過(guò)電壓超過(guò)TSS管的擊穿電壓時(shí)，TSS管將把過(guò)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(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過(guò)TSS管的過(guò)電流降到臨界值以下后，TSS恢復(fù)開(kāi)路狀態(tài)。

TSS是電壓開(kāi)關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管，就是涌抑制晶體管或者叫做導(dǎo)體放電管，固體放電管等等。

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

TSS器件的通流容量一般最高可達(dá)到150A(8/20uS)。

TSS管和TVS管都是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)器件，TSS管是電壓開(kāi)關(guān)型的，TVS是電壓鉗位型的。

TSS管在響應(yīng)時(shí)間，結(jié)電容方面與TVS管是相同特點(diǎn)，易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管適合于信號(hào)電平較高的信號(hào)電路保護(hù)。

TSS管在響應(yīng)時(shí)間、結(jié)電容方面具有與TVS管相同的特點(diǎn)。

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

TSS適合于信號(hào)電平較高的信號(hào)線路的保護(hù)。

在使用TSS管時(shí)，需要注意的一個(gè)問(wèn)題是：TSS管在過(guò)電壓作用下?lián)舸┖螅?dāng)流過(guò)TSS管的電流值下降到臨界值以下后TSS管才恢復(fù)開(kāi)路狀態(tài)，因此TSS管在信號(hào)線路中使用時(shí)，信號(hào)線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS管的臨界恢復(fù)電流。

臨界恢復(fù)電流值隨TSS管的型號(hào)和設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而不同，使用時(shí)應(yīng)注意在器件手冊(cè)中查明所用具體型號(hào)的確切值。

TSS管的擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的，在信號(hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。

TSS管較多應(yīng)用于信號(hào)線路的防雷保護(hù)。

TSS管的失效模式主要是短路，但當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成TSS管被炸裂而開(kāi)路，TSS管的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

審核編輯：湯梓紅