TVS选型时为何应尽量选用单向TVS？

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通常工程师在选择TVS时为了避免方向性问题而选择使用双向TVS，但在未确认欲保护讯号为单向讯号或是双向讯号前即选择使用双向TVS，可能会让保护效果先打了折扣，后续将解说单向讯号与双向讯号的差异后，进一步说明这些讯号使用单向或双向TVS会得到最好的ESD抑制效果。

1.     单向及双向讯号特性

一般讯号可分成为单向讯号或双向讯号，单向讯号或电源是指此讯号线只会出现正电压或只会出现负电压，这种单极性应用的讯号称为单向讯号(Unidirectional Signal)，参考图一、图二所示。双向讯号(Bidirectional Signal)，意即此讯号电压成分同时含有正电压与负电压存在，请参考图三。

图一 : 单向讯号 (讯号均为正电压)

图二 : 单向讯号 (讯号均为负电压)

图三 : 双向讯号 (讯号有正电压与负电压)

2.     单向TVS与双向TVS之特性 

 由于需要加TVS保护的讯号有可能是单向或双向，因此选用TVS时需特别注意并厘清讯号之准位是否含有正负电压成分存在。当讯号为单向讯号则需选择单向TVS会得到较好的ESD抑制效果，单向TVS符号请参考图四。需要注意此讯号的电压准位不能高于TVS的崩溃电压 (VBR)，当讯号准位高于崩溃电压(VBR)时，会造成正常工作条件下的讯号即会触发TVS崩溃导通情况，故选择TVS时需先评估讯号电压准位与欲使用之TVS 的直流参数(VBR, VF)做比较。举单向讯号若为正电压且搭配使用单向TVS时为例，因为单向讯号不会有负电压而造成元件forward导通的情况发生，单向TVS直流参数(VBR, VF)请参考图五。

 

图四 : 单向TVS符号

图五 : 单向TVS直流参数(VBR, VF)

当欲保护之讯号为双向讯号，即其讯号电压同时存在正负电压准位，则需选择双向TVS，以避免因误用单向TVS而发生负电压讯号forward导通造成讯号失真。双向TVS之符号与I-V 曲线(直流特性)请参考图六、图七。

图六 : 双向TVS 符号

图七 : 双向TVS直流参数(VBR)

3. 单向TVS与双向TVS之应用差异

 常有误解指称单向TVS只能保护正电压突波，这是很大的错误。正确的是：单向TVS与双向TVS皆能保护正电压或是负电压的突波，只是在选用时要注意单向TVS不适用于操作电压同时存在正电压及负电压的讯号线，常见具有双向电压特性的应用包括: Audio, RS485, RS232…等等。举例而言单向TVS若应用在RS232双向讯号线的防护上，将造成负向讯号(-12V)因单向TVS forward导通(约0.7V)而将负向电压钳位在(-0.7V)，红色虚线为负向电压被钳位到(-0.7V)后的波形，此举将造成讯号失真或什至系统当机，请参考图八、图九。

图八 : 单向TVS应用在双向讯号

图九 : 负向讯号钳位在 -0.7V

反之若双向TVS应用于单向电压讯号，虽不会有讯号被不正常钳位导致失真的情况，但双向TVS在负电压突波条件时保护效果远劣于单向TVS，无法让保护效果最佳化。由于主芯片常为高阶制程故非常脆弱，加上主芯片的I/O防护电路常为单向ESD元件，若此时在外部电路采用双向TVS防护，在出现系统级负电压突波时，可能因主芯片内部的单向ESD元件先启动导通，而导致主芯片损坏，请参考图十。 由于双向TVS在正电压与负电压均要达到崩溃电压才能启动导通，所以正电压时导通特性曲线上在单向TVS与双向TVS是相似的，但在负电压时单向TVS其钳位电压约 -0.7V即会Forward导通而达到保护功能，而双向TVS在负电压时需达到负向崩溃(譬如5V TVS VBR 约为 -6V)，所以在负向突波电压保护上会有差异，请参考图十一TLP曲线比较。 此外，若比较同样封装的单向TVS及双向TVS时，会发现正电压时虽同为崩溃导通条件，但单向TVS的钳位电压皆优于双向TVS。这是由于在同样的芯片面积的条件下，双向TVS需设计的元件数量较多，结构较复杂。反观单向TVS则可以最大化保护元件的面积，有效降低钳位电压及动态导通电组，提升保护效果。

图十 : 双向TVS应用在单向讯号(0V ~ +5V)

图十一 : 单向与双向TVS的TLP曲线比较

总而言之，单向TVS或双向TVS可从电气特性规格书中的元件电路图示(图四、图六)辨识出来。且单向TVS或双向TVS都可以有效防护正电压或是负电压的突波，若欲保护的讯号为单向讯号(全为正电压或全为负电压)，选择使用单向TVS元件则ESD保护效果肯定优于使用双向TVS元件。只须注意若欲保护的讯号为Audio, RS485, RS232等双向讯号(具有正负电压)，则仅能使用双向TVS元件，以避免在负电压时单向TVS因二极体Forward而将正常讯号钳位在(-0.7V)，导致发生通讯异常或当机现象。

　　审核编辑：汤梓红