从 0 入门：瞬态抑制 TVS 二极管特性详解

在电子设备的世界里，各种电路时刻面临着瞬态过电压的威胁，这些瞬间出现的高压尖峰可能来自静电放电、雷击、电源浪涌等，它们就像隐藏在暗处的 “杀手”，随时可能对电路中的精密元器件造成损害，影响设备的正常运行，甚至导致设备永久性损坏。而瞬态抑制 TVS 二极管，正是为应对这一挑战而诞生的电路保护 “卫士”。

一、TVS 二极管是什么

TVS，即 Transient Voltage Suppressor 的缩写，中文名为瞬态抑制二极管 ，是一种新型高效电路保护器件 。它外观与普通二极管相似，但其功能却有着独特之处。TVS 二极管的核心使命是在电路遭遇瞬态过电压时，迅速发挥作用，保护其他电路元件免受损害 。

二、TVS 二极管的工作原理

TVS 二极管的工作基于 PN 结的雪崩击穿效应 。在正常工作状态下，TVS 二极管两端所加电压低于其击穿电压，此时它处于高阻态，仅有极小的反向漏电流通过，如同电路中的 “旁观者”，对电路正常运行几乎没有影响 。

一旦电路中出现瞬态过电压，且电压幅值超过 TVS 二极管的击穿电压，PN 结就会迅速进入雪崩击穿状态 。在这一状态下，PN 结内的电子和空穴在强电场作用下被加速，它们高速运动并与晶格原子发生碰撞，产生大量新的电子 - 空穴对 。这些新产生的载流子又进一步参与碰撞，形成连锁反应，使得 PN 结中的电流急剧增大 。此时，TVS 二极管的阻抗骤然降低，相当于在瞬间变成了一条低阻抗的通路，能够允许大电流通过 。通过这个低阻抗通路，瞬态过电压产生的浪涌电流被引导至接地端，同时 TVS 二极管将两端电压箝制在一个预定的较低水平，从而保护了与之并联的后续电路元件，使其免受过高电压的冲击 。整个过程极为迅速，响应时间可达到亚纳秒级，能在极短时间内完成对电路的保护 。

三、TVS 二极管的特性参数

击穿电压(VBR)：这是 TVS 二极管开始进入雪崩击穿状态的电压值 。当 TVS 二极管两端电压达到 VBR 时，其内部 PN 结开始击穿导通 。在 25℃环境温度下，当流过 TVS 二极管的电流为规定的测试电流(如 1mA)时，此时加在 TVS 二极管两极间的电压就是其最小击穿电压 VBR 。不同型号的 TVS 二极管，击穿电压有不同的标称值，且根据其与标准值的离散程度，可分为 ±5% VBR 和 ±10% VBR 两种 。

最大反向关断电压(VWM)：这是 TVS 二极管能够持续承受的最大反向直流电压或脉冲电压 。当电路中施加的反向电压处于 VWM 及以下时，TVS 二极管处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流 ID 。通常情况下，对于 ±5% VBR 的 TVS 二极管，VWM = 0.85VBR;对于 ±10% VBR 的 TVS 二极管，VWM = 0.81VBR 。在实际应用中，需要确保电路的正常工作电压不超过 TVS 二极管的 VWM，以保证 TVS 二极管在正常状态下不会导通 。

最大箝位电压(VC)：当持续时间为特定值(如 20 微秒)的脉冲峰值电流 IPP 流过 TVS 二极管时，在其两极间出现的最大峰值电压即为 VC 。VC 反映了 TVS 二极管在承受瞬态过电压时，能够将电压箝制到的最高水平 。它是由串联电阻上的电压以及温度系数等因素共同作用导致的电压上升的组合 。VC 与 VBR 之比称为箝位因子，一般在 1.2 - 1.4 之间 。在选择 TVS 二极管时，必须保证其最大箝位电压 VC 低于被保护电路元件所能承受的最大电压，这样才能确保在瞬态过电压出现时，被保护元件不会因电压过高而损坏 。

最大峰值脉冲电流(IPP)：这是 TVS 二极管在规定的脉冲条件下，能够允许通过的最大脉冲峰值电流 。IPP 与最大箝位电压 VC 的乘积，就是 TVS 二极管所能承受的瞬态脉冲功率的最大值 。在实际应用中，需要根据电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，选择合适 IPP 值的 TVS 二极管，以保证其能够有效应对瞬态过电压的冲击 。

电容量(C)：电容量 C 由 TVS 二极管雪崩结的截面决定，是在特定的 1MHz 频率下测得的 。一般来说，C 的大小与 TVS 二极管的电流承受能力成正比 。然而，在一些对信号传输质量要求较高的电路中，如高频数据传输线路，过大的电容会对信号产生衰减，影响信号的完整性 。因此，在这些应用场景中，需要选择电容值较小的 TVS 二极管 。

最大反向漏电流(ID)：当最大反向工作电压 VWM 施加到 TVS 二极管上时，会有一个微小的电流流过，这个电流就是反向漏电流 ID 。在一些对功耗要求极为严格的电路，或者高阻抗电路中，ID 是一个需要重点关注的参数 。因为过大的漏电流可能会导致电路功耗增加，甚至影响电路的正常工作 。

最大峰值脉冲功耗(PM)：PM 是 TVS 二极管能够承受的最大峰值脉冲耗散功率 。在给定的最大箝位电压下，功耗 PM 越大，TVS 二极管的浪涌电流承受能力越强;在给定的功耗 PM 下，箝位电压 VC 越低，其浪涌电流承受能力也越大 。需要注意的是，TVS 二极管所能承受的瞬态脉冲通常是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)一般为 0.01% 。如果电路中存在重复性脉冲，就需要考虑脉冲功率的 “累积” 效应，否则有可能导致 TVS 二极管因过热而损坏 。

箝位时间(TC)：TC 是指从瞬态过电压出现，到 TVS 二极管两端电压达到最小击穿电压 VBR 所需要的时间 。TVS 二极管的箝位时间极短，通常可达到皮秒级，这使得它能够在极短的时间内对瞬态过电压做出响应，迅速保护电路 。

四、TVS 二极管的类型

单向 TVS 二极管：单向 TVS 二极管的正向特性与普通二极管相同，在正向导通时，其表现如同一个普通的整流二极管 。而其反向特性则为典型的 PN 结雪崩器件，反向击穿拐点近似 “直角”，属于硬击穿 。当有瞬时过压脉冲施加在其两端且电压超过击穿电压时，单向 TVS 二极管迅速导通，电流急剧增加，同时将反向电压上升并箝位到预定的箝位电压值，并保持在这一水平，直到过压脉冲消失 。单向 TVS 二极管一般适用于直流电路，在直流电源线路、信号线路等需要保护的直流回路中应用广泛 。

双向 TVS 二极管：双向 TVS 二极管的 V - I 特性曲线如同两只单向 TVS 二极管 “背靠背” 组合而成 。这使得它在正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性 。双向 TVS 二极管正反两面击穿电压的对称关系为：0.9 ≤ V (BR)(正)/V (BR)(反) ≤ 1.1 。当加在它两端的干扰电压超过箝位电压 Vc 时，无论电压是正向还是反向，双向 TVS 二极管都会立刻将电压抑制掉 。由于其独特的双向保护特性，双向 TVS 二极管非常适合应用于交流电路，如交流电源输入端口、交流信号传输线路等 。在这些交流回路中，瞬态过电压可能来自正半周或负半周，双向 TVS 二极管都能有效地进行保护 。

五、TVS 二极管的应用场景

消费电子设备：在手机、平板电脑、数码相机等消费电子产品中，TVS 二极管被广泛应用于各个接口和电路模块的保护 。例如，手机的 USB 接口、耳机接口等，在日常使用中很容易受到静电放电(ESD)的影响 。静电放电产生的瞬间高压可能会损坏接口电路中的芯片和其他敏感元件 。通过在这些接口处并联 TVS 二极管，当静电放电发生时，TVS 二极管迅速导通，将静电电荷引入地，从而保护了接口电路和与之相连的主板电路 。此外，在消费电子产品的电源输入端口，也常常使用 TVS 二极管来抑制电源浪涌，确保设备在电源不稳定或受到外部电源干扰时能够正常工作 。

通信设备：在通信网络设备中，如路由器、交换机、基站等，TVS 二极管起着至关重要的保护作用 。通信线路通常需要连接到室外的天线、电缆等设备，这些设备容易受到雷击和感应雷的影响 。雷击产生的瞬间过电压可能高达数万伏甚至更高，远远超过了通信设备内部电路所能承受的电压范围 。TVS 二极管被安装在通信线路的入口处，能够迅速将雷击产生的高压脉冲箝位到安全电压范围内，并将浪涌电流引入地，保护通信设备内部的电路和芯片不受损坏 。同时，在通信设备的电源模块中，TVS 二极管也用于抑制电源线上的瞬态过电压，保证设备供电的稳定性 。

汽车电子系统：汽车内部的电子系统越来越复杂，各种电子控制单元(ECU)、传感器和执行器等设备相互连接 。在汽车行驶过程中，由于发动机点火、电器设备的开关操作等原因，会产生大量的电磁干扰和瞬态过电压 。这些干扰和过电压可能会影响汽车电子系统的正常工作，甚至导致系统故障 。TVS 二极管在汽车电子系统中被广泛应用于各个电路的保护，如汽车的电池供电线路、传感器信号线路、车载通信线路等 。例如，在汽车的车载娱乐系统中，TVS 二极管用于保护音频放大器、显示屏等设备免受电源浪涌和电磁干扰的影响;在汽车的发动机控制系统中，TVS 二极管保护 ECU 免受各种瞬态过电压的冲击，确保发动机的正常运行 。

工业控制设备：在工业生产环境中，存在着大量的电气设备和复杂的电磁环境，工业控制设备面临着各种瞬态过电压和电磁干扰的威胁 。TVS 二极管被广泛应用于工业控制设备的电源输入、信号输入输出等接口，以及内部的电路板电路中 。例如，在自动化生产线中的可编程逻辑控制器(PLC)、变频器、传感器等设备，通过使用 TVS 二极管进行保护，能够提高设备的可靠性和稳定性，减少因瞬态过电压和电磁干扰导致的设备故障和停机时间 。在工业现场的通信网络中，如工业以太网、PROFIBUS 等，TVS 二极管也用于保护通信线路，确保数据传输的准确性和可靠性 。

六、TVS 二极管的选型要点

确定极性：根据应用电路是直流还是交流，以及瞬态过电压可能出现的方向来选择 TVS 二极管的极性 。如果电路为直流电路，且瞬态过电压主要来自一个方向，通常选择单向 TVS 二极管;如果电路为交流电路，或者瞬态过电压可能来自两个方向，则应选择双向 TVS 二极管 。

考虑击穿电压和最大反向关断电压：所选 TVS 二极管的击穿电压 VBR 应略高于电路的正常工作电压，但不能过高，否则可能无法及时对瞬态过电压做出响应 。同时，要确保电路的正常工作电压始终低于 TVS 二极管的最大反向关断电压 VWM，以保证 TVS 二极管在正常状态下不会导通，避免影响电路的正常工作 。

评估最大箝位电压：最大箝位电压 VC 必须低于被保护电路元件所能承受的最大电压 。这样，在瞬态过电压出现时，TVS 二极管将电压箝制在 VC 以下，从而保护了电路元件 。在实际选型中，需要根据被保护电路的具体要求，选择箝位电压合适的 TVS 二极管 。

确定最大峰值脉冲电流和最大峰值脉冲功耗：根据电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，计算出所需的最大峰值脉冲电流 IPP 。所选 TVS 二极管的最大峰值脉冲电流 IPP 应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌电流 。同时，要确保 TVS 二极管的最大峰值脉冲功耗 PM 能够满足电路的要求，以保证其在承受瞬态过电压时不会因过热而损坏 。在计算 PM 时，需要考虑脉冲波形、持续时间和环境温度等因素的影响 。

关注电容量：对于高频电路或对信号传输质量要求较高的电路，要选择电容量较小的 TVS 二极管 。因为过大的电容量会对信号产生衰减，影响信号的完整性和传输速度 。在数据接口电路等应用场景中，电容量是一个重要的选型参数 。

考虑应用场景和封装形式：根据具体的应用场景和安装空间要求，选择合适封装形式的 TVS 二极管 。常见的封装形式有轴向引线封装、贴片式封装、双列直插式封装等 。对于高密度安装的场合，贴片式封装的 TVS 二极管可以节省电路板空间;对于需要承受较大功率的应用，可能需要选择轴向引线封装或大功率模块封装的 TVS 二极管 。

总之，TVS 二极管作为一种重要的电路保护器件，在电子设备的各个领域都发挥着不可或缺的作用 。了解 TVS 二极管的特性和正确选型方法，对于设计可靠、稳定的电子电路至关重要 。无论是消费电子、通信设备，还是汽车电子、工业控制等领域，合理应用 TVS 二极管都能够有效提高设备的抗干扰能力和可靠性，降低设备故障率，延长设备使用寿命 。随着电子技术的不断发展，TVS 二极管的性能也在不断提升，未来它将在更多领域发挥更大的作用，为电子设备的安全运行保驾护航 。