如何区别各类型TVS保护器件？

瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor）简称TVS，是一种二极管形态的高效能保护器件。TVS用来保护后段的IC免受由ESD或EOS波动引起意外的过电压和过电流影响。其工作原理如图1所示；首先TVS的二极管反向击穿的特性，当TVS两极受到瞬态高能量脉冲冲击时，它能以10的负12次方秒(ps)量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收在大量异常ESD/EOS能量，并将其迅速泄放到地层，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，免受各种不合理脉冲的破坏，是电子产品常用的保护器件。

图1 TVS保护系统的工作原理

TVS类型

一．TVS按照功率大小，可分为：大功率TVS和小功率TVS。

大功率TVS主要应用于电源系统上，保护电源免于大能量浪涌的冲击，其应该领域有工业设备，汽车 电子，航空航天等。大功率TVS结电容可以达到上百pF，响应速度在1ns以下，因为大功率TVS需要承受大能量的冲击，所以其具有封装大的特点，主要为SMA以上的封装，拥kW浪涌级别。目前，业内普遍把3000W以上的TVS定义为大功率TVS管。汽车级TVS二极管SM系列，峰值脉冲功率6600W，属于大功率TVS管。目前一般大功率TVS主要以10/1000uS为单体耐受测试标准。 小功率TVS则主要防范ESD或EFT等ns级波形脉冲防护上，常见应用于信号线和电源防护。因其主要防范能量较小的脉冲，所以单体不需要设计成大封装去承载大功率设计。而小功率TVS封装可设计成0402，0201，甚至01005更小的封装形态。其特点寄生电容设计值可以在pF级以下，适用且广泛应用于高速信号。小功率TVS常规使用静电标准IEC61000-4-2为单体耐受测试标准，当遇到ESD静电问题时，通常会在敏感线路或者外接的信号必经之路通过增加小功率TVS管的方式来泄放ESD。

二．TVS按照用途，可分为：通用型TVS和专用型TVS。 

通用型TVS指没有特殊认证标准和规格的要求外，可广泛使用于各类电子产品。而专用型TVS则为在 常规规格上需要加持额外的认证标准，如汽车领域需要有AEC-Q101认证的TVS，其可靠度测试将更为严格。如晶焱科技TVS产品类别里，AZ9系列则为车规级TVS，全系列皆通过AEC-Q101认证测试。而其它系列则为通用型TVS，是针对各类电子产品所设计的ESD/EOS防护方案。如图2所示，晶焱科技拥有丰富的TVS产品型号，总数超过400种；例如AZ1系列是针对保护各类高速传输接口的TVS类型，在COMS制程上设计出SCR技术的snap-back技术，使其不但在寄生电容小的基础上，依然可以让箝制电压在更小更合理的范围。

 

Family	Functions
AZ1	High Speed, ESD/EFT/Lightning/EOS Protector
AZ2	Low Speed, ESD/EFT/Lightning Protector
AZ3	Lightning Protector
AZ4	High Voltage (> 5V), ESD/EFT/Lightning/EOS Protector
AZ5	Tiny Package, ESD Protector
AZ6	Low Voltage (<3.3V), ESD Protector
AZ9	Automotive Application, ESD Protector, AEC-Q101
AZC	Customization, High Speed, ESD Protector
AZM	EMC component, EMI Filters with ESD Protectors

 

图2 晶焱TVS产品系列目录

三．TVS按电压分类，可分为：高压TVS和低压TVS。 

电子系统的电源分类，可以分成芯片级电源和系统级电源。芯片级电源即为给芯片供电电源，其电压 范围一般最大不超过5V，例如常规数字信号电平为3.3V和5V，芯片级主流供电电压为3.3V和5V。随着高速信号在广泛使用，所需更低的信号电压以减少功耗和电压摆动产生的EMI问题，所以主流的高速接口芯片核心电压都要小于3.3V，如2.5V，1.8V，1.2V甚至更低。而对应芯片级电源的TVS可统称为低压TVS，其工作电压 ≦5V。相反系统级电源电压一般>5V，主要为电源管理芯片供应输入电源，如常见的电源电压有9V，12V，24V 等，输入电源通过DCDC等电源芯片降压至芯片级电源。如图2，晶焱AZ4系列为高压TVS系列，其最大工作电压可达100V。如下图3所示，为晶焱部分高压TVS常用型号。

 

Parts	Package	VRWM	VBV (Min)	Surge	VCL @8kV	CIN (Typ.)
AZ4007-01L	SOD-323	7V	8.5V	5.5A	12.5V	60pF
AZ4008-01G	SOD123	8V	9V	60A	12V	750pF
AZ4212-01G	SOD123	12V	13.7V	25A	17V	60pF
AZ4018-01G	SOD123	18V	20V	34A	25V	620pF
AZ4024-01G	SOD123	24V	26.7V	25A	32V	350pF

 

图3 晶焱部分高压TVS型号

四． TVS按通路區別，可分為：單路TVS和多路TVS。

傳統二極管為PN結單向二極管，其封裝形態為單路雙引腳，而傳統TVS管也為單路形態，其封裝特徵與二極管相彷。單路TVS主要優點是封裝小，PCB佈局靈活，但對於信號繁多且複雜的接口，如HDMI，Type-C等，其單路TVS使用數量多，佔用空間大成為其軟肋，且造成總成本偏高。而多路TVS管可以解決這一缺點，多路TVS可以集成更豐富和更先進的保護電路在其芯片級封裝裡，提供2路以上的保護通道。晶焱科技所研發的多路陣列式TVS為半導體製程組件，內部只有一顆芯片; 這說明了通過芯片佈局設計的方式，可以把數個ESD的保護端口整合在一個小小的芯片上。其特性為電容小、導通速度快，根據電壓應用的不同，提供足夠的維持電壓使系統不會產生閂鎖效應；且多路陣列TVS可設計更低更安全的箝位電壓，將ESD/EOS突波電壓箝制在一個較低的電壓值，保護電子系統不會受到ESD/EOS突波的破壞。此外根據不同的終端應用，我們也提供了不同的封裝元件尺寸，如SOT23，SC70，DFN等封裝。由於佔用的印刷電路板空間較小，多路TVS也常被用在這一些小尺寸的印刷電路板上。圖4為單路TVS與多路陣列式TVS各項目對比。

Figure 4 Single-channel TVS vs. multi-channel TVS array

五．TVS按方向分类，可分为：单向TVS和双向TVS。 

TVS 有单向和双向之分，单向TVS的特性与二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个二极管反 向串联。单向TVS一般应用于直流电路或数字信号，双向TVS适用于交流电路或模拟信号。如图5左图所示，单向TVS的正向特性与普通二极管相同，反向击穿拐点处近似“直角”的击穿为典型的PN结雪崩。从击穿点到箝位电压值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，TVS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，而正向导通电压视PN结材料而定，TVS硅材质一般在0.8V至0.9V左右，正向导通后，其电流也呈现指数级增长，正向电压并维持在箍位电压值。如图5右图所示，双向TVS的I-V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，一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压就会立刻被抑制掉，双向TVS在交流电路和模拟信号应用十分方便。

图5 单向TVS和双向TVS I-V曲线图

审核编辑 黄昊宇