TVS的工作原理和选型要点

一、TVS工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。它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。TVS 有单向与双向之分，单向 TVS 一般应用于直流供电电路，双向 TVS 应用于电压交变的电路。如图 1 所示，应用于直流电路时单向 TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。

图1 TVS工作原理

二、TVS选型过程

选择TVS之前，我们首先要明白选择的终极目标：

1.电压合适能保护后级电路；

2.引入的TVS的结电容不能影响电路；

3.TVS功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先挂。选型的过程可以按照以下的步骤进行：

(1) 选择TVS最高工作电压Vrmw；

(2) 选择TVS钳位电压VC；

(3) 选择TVS的功率；

(4) 评估漏电流IR的影响；

(5) 评估结电容的影响；

A、选择TVS最高工作电压Vrmw；

在电路正常工作情况下，TVS 应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择 Vrwm 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。要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。综合考虑，Vrwm可以参考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ；--------其中VCC为电路的最高工作电压。

B、选择选择TVS钳位电压VC；

TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 IPP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高 VC 也越高，所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式：

VC＜Vmax ；-----其中Vmax为电路能承受的最高电压.

C、选择TVS的功率Pppm（或者Ipp）；

TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高，所以，TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 VC 值是一样的，只是 IPP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。对于某一电路 ，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ，则 Iactual 可估算为：

Iactual=Uactual/Ri；---------其中 Uactual 为测试电压，Ri为测试内阻。

TVS 要通过测试，故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual 为：-------其中di/dt为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如 8/20μs波形，建议di/dt取，如测试波形为 10/1000μs，取，实际选型中，TVS 应留有一定的裕量，TVS 的功率Pppm 选择应遵循Pppm＞Pactual。

D、根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响

如果TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

三、TVS选型距离

数据都是无趣的，我们以实际的案例举例。电路的正常工作电压VCC是24V，最高工作电压Vmax是26V,后级电路可承受的最高瞬态电压为50V，实验的测试波形为 8/20μs波形，测试电压500V，测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。

图 2 设计举例

1) 选择TVS最高工作电压

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2) 选择选择TVS钳位电压

VC＜Vmax=50V

3) 计算实际测试波形功率：

Pactual=Vc**=50*（500/3）*1/2=4166W

审核编辑：汤梓红