在電子電路的防護(hù)領(lǐng)域，TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）宛如一位忠誠的衛(wèi)士，為電路抵御瞬間的電壓沖擊，守護(hù)著后級(jí)電路的安全。然而，對于許多電子工程師而言，TVS 的選型過程猶如迷霧中的旅程，缺乏清晰的理論指導(dǎo)。本文將深入剖析 TVS 的工作原理、關(guān)鍵參數(shù)，詳細(xì)闡述其計(jì)算與選型方法，并通過實(shí)際進(jìn)行說明，讓工程師們在面對 TVS 選型時(shí)能夠游刃有余。

TVS 工作原理

TVS，即瞬態(tài)電壓抑制器，也被稱為雪崩擊穿二極管，是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè) PN 結(jié)或多個(gè) PN 結(jié)集成的器件。它分為單向和雙向兩種類型，單向 TVS 通常應(yīng)用于直流供電電路，而雙向 TVS 則適用于電壓交變的電路。

在直流電路中，單向 TVS 反向并聯(lián)于電路。當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)，呈現(xiàn)高阻態(tài)，對電路的正常運(yùn)行毫無影響。但當(dāng)電路出現(xiàn)異常過電壓，且該電壓達(dá)到 TVS 的雪崩擊穿電壓時(shí)，TVS 會(huì)迅速從高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，將由異常過電壓引發(fā)的瞬時(shí)過電流泄放到地，同時(shí)把異常過電壓鉗制在較低水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免受損壞。當(dāng)異常過電壓消失后，TVS 的阻值又會(huì)恢復(fù)為高阻態(tài)。

TVS 關(guān)鍵參數(shù)

要想合理運(yùn)用 TVS，就必須深入了解其關(guān)鍵參數(shù)。

1. Vrwm 截止電壓：這是 TVS 的工作電壓，是可連續(xù)施加而不會(huì)導(dǎo)致 TVS 劣化或損壞的工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓，用工作電壓有效值表示。在 Vrwm 下，TVS 處于不工作狀態(tài)，即不導(dǎo)通。因此，電路的工作電壓必須小于 Vrwm，否則會(huì)使 TVS 動(dòng)作，影響電路正常運(yùn)行。
2. IR 漏電流：也稱為待機(jī)電流，是在規(guī)定溫度和工作電壓條件下，流過 TVS 的電流。一般在截止電壓下測量 TVS 的漏電流，對于某一型號(hào)的 TVS，IR 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對 TVS 兩端施加電壓值為 Vrwm，從電流表中讀出的電流值即為 TVS 的漏電流 IR。對于同功率和同電壓的 TVS，在 Vrwm ≤ 10V 時(shí)，雙向 TVS 的漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。在一些模擬端口，漏電流會(huì)影響 AD 的采樣值，所以 TVS 的漏電流越小越好。
3. VBR 擊穿電壓：指在 V - I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流 IT 或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。測試電流 It 一般選取 10mA 左右，施加電流的時(shí)間不應(yīng)超過 400ms，以免損壞器件。VBR MIN. 和 VBR MAX. 是 TVS 擊穿電壓的偏差，一般 TVS 的偏差為 ±5%。測量時(shí)，VBR 落在 VBR MIN. 和 VBR MAX. 之間視為合格品。
4. IPP 峰值脈沖電流和 VC 鉗位電壓：IPP 是給定脈沖電流波形的峰值，TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。VC 是施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 IPP 時(shí)，TVS 兩端測得的峰值電壓。IPP 和 VC 是衡量 TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，二者相互關(guān)聯(lián)。對于 TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可參考 VC 參數(shù)。對于相同型號(hào)的 TVS，在相同 IPP 下，VC 越小，說明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可參考 IPP，同型號(hào)的 TVS，IPP 越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。
5. 結(jié)電容 CI 和漏電流 Ir：結(jié)電容是 TVS 中的寄生電容，在高速 IO 端口保護(hù)中需要重點(diǎn)關(guān)注，過大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。漏電流主要會(huì)帶來功率損耗，在模擬信號(hào)中還會(huì)影響 AD 信號(hào)的采樣值。

TVS 選型過程

了解 TVS 的基本參數(shù)后，就可以進(jìn)入關(guān)鍵的選型階段。選型的目標(biāo)是：電壓合適以保護(hù)后級(jí)電路；引入的 TVS 結(jié)電容不影響電路；TVS 功率余量充足，滿足測試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先損壞。選型過程可按以下步驟進(jìn)行：

1. 選擇 TVS 工作電壓 Vrwm：在電路正常工作時(shí)，TVS 應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的工作電壓，以確保 TVS 在電路正常工作時(shí)不影響電路。但 TVS 的工作電壓高低也決定了其鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不宜過高，否則鉗位電壓會(huì)較高。綜合考慮，Vrwm 可參考公式：Vrwm ≈ 1.1 ~ 1.2 * VCC ，其中 VCC 為電路的工作電壓。
2. 選擇 TVS 鉗位電壓 VC：TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路可承受的瞬態(tài)安全電壓。VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 IPP 都成正比，對于同一功率等級(jí)的 TVS，其擊穿電壓越高，VC 也越高。所選 TVS 的箝位電壓 Vc 不能大于被防護(hù)電路可以承受的電壓，否則會(huì)對電路造成損壞。Vc 可參考公式：VC ＜ Vmax ，其中 Vmax 為電路能承受的電壓。
3. 選擇 TVS 的功率 Pppm（或者 Ipp）：TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)浪涌功率。理論上，TVS 的功率越大越好，能承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但功率越高，TVS 的封裝越大，價(jià)格也越高，所以 TVS 的功率滿足要求即可。對于不同功率等級(jí)的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 VC 值相同，只是 IPP 不同。故 Pppm 與 Ippm 成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。對于某一電路，有對應(yīng)的測試要求，設(shè)實(shí)際電路中的測試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：Iactual = Uactual / Ri ，其中 Uactual 為測試電壓，Ri 為測試內(nèi)阻。TVS 要通過測試，實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的功率 Pactual 為：（此處原文未給出完整公式）。實(shí)際選型中，TVS 應(yīng)留有一定裕量，TVS 的功率 Pppm 選擇應(yīng)遵循 Pppm ＞ Pactual。
4. 評估漏電流 Ir 的影響：如果 TVS 用于高速 IO 端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場合，需要考慮漏電流的影響，漏電流越小越好。
5. 評估結(jié)電容的影響：在高速 IO 端口保護(hù)中，要關(guān)注結(jié)電容對信號(hào)質(zhì)量的影響，結(jié)電容越小越好。

實(shí)際分析

下面通過一個(gè)實(shí)際來具體說明 TVS 的選型過程。已知電路的正常工作電壓 VCC 是 24V，工作電壓 Vmax 是 26V，后級(jí)電路可承受的瞬態(tài)電壓為 50V，實(shí)驗(yàn)的測試波形為 8/20μs 波形，測試電壓 500V，測試電源內(nèi)阻及 PPTC 的靜態(tài)電阻合計(jì)為 2Ω。

1. 選擇 TVS 工作電壓：根據(jù)公式 Vrwm ≈ 1.1 ~ 1.2 * VCC，可得 Vrwm ≈ 26 ~ 28V。
2. 選擇 TVS 鉗位電壓：由于 VC ＜ Vmax，所以 VC ＜ 50V。
3. 計(jì)算實(shí)際測試波形功率：Pact = Vc * Iactual = 50 * (500 / 2) * 1 / 2 = 6250W（此處原文計(jì)算有誤，應(yīng)為 50 * (500 / 2) * 1 / 2 ）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選用 5.0SMDJ26A 這個(gè) TVS，由于該 TVS 用于電源端口，結(jié)電容和漏電流基本可以忽略不計(jì)。