瞬态抑制二极管的基础知识

ESD 静电放电(Electro-Static discharge)

TVS 瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressors)

TVS管和ESD管的区别是：工作原理是一样的，但功率和封装是不一样的;ESD主要是用来防静电，防静电就要求电容值低;TVS就做不到这一点，TVS的电容值比较高。

瞬态二极管(Transient Voltage Suppressor)简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。

当TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它 能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元 器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

静电放电即ESD(Electro-Static discharge)，是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。

ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科，因此，国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD。

TVS瞬态电压抑制

这里不论TV(瞬态电压)是如何产生的,比如直接或者间接的雷击,静电放电,大容量的负载投切等因素导致的浪涌.电压从几伏到几十千伏甚至更高.

ESD静电放电保护

这里的ES主要是三种模型所表述.

其中主要应用是HBM 和 MM,简单说,就是人或者设备对器件放电(静电),但是器件不能损坏.

典型的HBM CLASS 1C模型规定一个充电1000V-2000V的100pF的电容通过一个1500欧姆的电阻对器件放电.

MM模型要比人体模型能量大一些.电容是200pF,电压大概在200-400之间,不过没有串联电阻了.

典型的人体模型放电,峰值电流小于0.75A,时间150ns

典型的机器模型放电,峰值电流小于8A,时间5ns

典型的雷击浪涌(电力线入线处使用的TVS)峰值电流3000A,时间20us

原理是一样的,但根据功率和封装来分就不一样.

ESD和TVS比较的话,要看用在那些用途上,像ESD主要是用来防静电,防静电就要求电容值低,一般是1--3.5PF之间为最好.而TVS就做不到这一点,TVS的电容值比较高.

通过分别对其进行符合IEC61000-4-2标准的+/-8KV接触放电,分析捕获的IEC波型可以得知,TVS保护性能强过贴片压敏很多倍.

压敏电阻采用物理吸收原理,每经过一次ESD事件,材料就会受到一定物理损伤,形成永久性的漏电通道,而TVS是采用的半导体钳位原理,在经历ESD事件时,瞬间将能量传递出去,对器件本身并无影响.

他们应用的场合不同,TVS一般用于处级和次级保护,而ESD主要用于板级保护.

选择TVS一般是看器件的功率和封装,ESD器件一般看中的是它的ESD rating (HBM/MM)和IEC61000-4-2的LEVEL,高速的USB和I/O很重视它的容值。

我们经常可以见到的esd保护电路如下图：

TVS管有两个引脚，是两脚器件;而ESD抑制二极管有三个引脚，是三脚器件。ESD抑制二极管两个二极管串起来后，引出三根引脚。其电路符号分别如下图所示。

TVS主要用在电源输入端起到防浪涌的作用，瞬间吸收浪涌电流对后级电路起到保护作用。ESD二极管的正负接在电源引脚，公共端接在被保护引脚上起到释放静电的作用。

瞬态抑制二极管

瞬态抑制二极管是一种限压型的过压保护器件，也叫TVS，以pS级的速度把过高的电压限制在一个安全范围之内，从而起到保护后面电路的作用。

TVS的响应时间可以达到ps级，是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要求。TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型TVS一般在几百～几千pF的数量级，低结电容型TVS的结电容一般在几pF～几十pF的数量级。一般分立式TVS的结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中，应主要选用低结电容的TVS管。

瞬态电压抑制二极管(TVS)又叫钳位二极管，是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压钳制在预定水平，其响应时间仅为10-12毫秒，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。

瞬态电压抑制二极管允许的正向浪涌电流在TA=250C，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，并把电压钳制到预定水平，双向TVS适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等，是一种理想的保护器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

瞬态电压抑制二极管的主要电参数

(1)击穿电压V(BR)

器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流I(BR)下，测得器件两端的电压称为击穿电压，在此区域内，二极管成为低阻抗的通路。

(2)最大反向脉冲峰值电流IPP

在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。IPP与最大钳位电压VC(MAX)的乘积，就是瞬态脉冲功率的最大值。

使用时应正确选取TVS，使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。

瞬态电压抑制二极管的分类

瞬态电压抑制二极管可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如：各种交流电压保护器、 4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列(适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。

瞬态电压抑制二极管的应用

目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/ 直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表(电度表)、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。

瞬态电压抑制二极管的特点

(1)将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的肪冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。

(2)静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms;而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导致损坏。利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰(Crosstalk)。

(3)将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。

瞬态电压抑制二极管的选用技巧

(1)确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。

(2)TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压，并行连接分电流。

(3)TVS的最大钳位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

(4)在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大钳位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

(5)对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。

(6)根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。

(7)温度考虑。瞬态电压抑制器可以在-55℃～+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随增加而增大;功耗随TVS 结温增加而下降，从+25℃～+175℃，大约线性下降50%与击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

处理瞬时脉冲对元件损害的最好办法是将瞬时电流从感应元件引开。TVS二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便产生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流透过二极管被引开，避开被保护元件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动恢复高阻状态，整个回路进入正常电压。许多元件在承受多次冲击后，其参数及性能会产生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会产生损坏或退化。

从以上过程可以看出，在选择TVS二极管时，必须注意以下几个参数的选择：

1. 最小击穿电压VBR和击穿电流I R 。VBR是TVS最小的击穿电压，在25℃时，低于这个电压TVS是不会产生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR )时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压V BR 。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说，V WM =0.85VBR;对于10%的VBR来说，V WM =0.81VBR。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8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击，部分半导体厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。对于某些有特殊要求的可携设备应用，设计者可以依需要挑选元件。

2.最大反向漏电流ID和额定反向切断电压VWM。VWM是二极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，否则二极管会不断截止回路电压;但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向切断电压VWM加于TVS的两极间时它处于反向切断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

3.最大钳位电压VC和最大峰值脉冲电流I PP 。当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC与VBR之比称为钳位因子，一般在1.2~1.4之间。VC是二极管在截止状态提供的电压，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，否则元件面临被损伤的危险。

4. Pppm额定脉冲功率，这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。对于手持设备，一般来说500W的TVS就足够了。最大峰值脉冲功耗PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在特定的最大钳位电压下，功耗PM越大，其突波电流的承受能力越大。在特定的功耗PM下，钳位电压VC越低，其突波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。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，元件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重覆性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。

5. 电容器量C。电容器量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使讯号衰减。因此，C是数据介面电路选用TVS的重要参数。电容器对于数据/讯号频率越高的回路，二极管的电容器对电路的干扰越大，形成噪音或衰减讯号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选元件的电容器范围。高频回路一般选择电容器应尽量小(如 LCTVS、低电容器TVS，电容器不大于3pF)，而对电容器要求不高的回路电容器选择可高于40pF。

瞬态电压抑制二极管特性曲线：

说明：

VBR：崩溃电压@IT- TVS瞬间变为低阻抗的点

VRWM：维持电压-在此阶段TVS为不导通之状态

VC：钳制电压@Ipp -钳制电压约略等于1.3*VBR VF：正向导通电压@IF -正向压降

IR：逆向漏电流@VRWM

IT：崩溃电压之测试电流

IPP：突波峰值电流

IF：正向导通电流

单向TVS二极管特性曲线

双向TVS二极管特性曲线

ESD静电防护二极管

“ESD静电管”这种称呼不符合专业术语，只能简单理解为用于ESD静电保护的二极管称之为ESD静电管，业界也没有这种称呼。

高速输入/输出端口要求使用电容小的ESD保护器件，尽量保持信号质量不会下降。选用的器件应当适合高速数据传输线路和无线电频率数据线路，能够经受无数次的ESD瞬变电压。要符合RoHS 和IEC61000-4-2的要求，电容要小，触发电压要低，响应时间要短，这些也是ESD保护器件的重要特性。

TVS吸收能量大，反映慢，适合浪涌防护，ESD二极管吸收能力小，但反应速度快，适合静电场合。

ESD 静电二极管并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态(高 阻态)，不影响线路正常工作，当电路出现异常过压并达到其击穿电 压时，它迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径， 同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护被保护被保护 IC 或线路;当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。

1、ESD 静电二极管使用时是并联在被保护电路上，正常情况下 对线路的工作不应产生任何的影响;

2、击穿电压 VBR 的选择：ESD 静电二极管的击穿电压应大于线 路最高工作电压 Um 或者信号电平的最大电压值;

3、脉冲峰值电流 IPP 和最大箝位电压 VC 的选择：ESD 静电二 极管使用时，要根据线路上可能出现的最大浪涌电流来选择 IPP 合 适的型号。要注意的是，此时的最大箝位电压 VC 应不大于被保护芯 片所能耐受的最大峰值电压;

4、用于信号传输电路保护时，一定要注意所传输信号的频率或 传输速率，当信号频率或传输速率较高时，应选用低电容系列的管子。

5、要采用 Array 式的 ESD 保护组件，这样才可以用最少的组件 数来缩小 PCB 的空间及降低 PCB 的寄生阻抗;

6、ESD 保护组件的线路电容要够低，如 USB2.0 需要用小于 3pF， USB3.0 需要用小于 0.3pF，10/100M LAN 需要用小于 3pF 的 ESD 保护 元件;

7、ESD 保护元件的箝制电压必须要够低，才能使系统在 ESD 发 生时还能不受干扰地运作，至于要多低的箝制电压才够，则要看系统 的噪声免疫能力而定。

ESD保护二极管，是一种有效的防静电保护器件，取代了以往的压敏电阻、TVS瞬态抑制二极管，成为了电子行业紧俏、流行的静电保护器件。在电子行业中，ESD静电防护的最终目的是：在电子元器件、组件和设备的制造过程中，通过一定的静电防护措施，抵御ESD静电的破坏性来保障产品的正常运行。ESD静电保护二极管，与传统的静电防护器件相比，其优越性更加显著:

1)超快响应时间，小于1ns

2)超低电容值，小于0.05p

3)超低漏电流，小于0.1nA

4)超耐用，有效动作大于40万次

5)符合IEC61000-4-2行业标准

　　审核编辑：汤梓红