TVS瞬變電壓抑制二極管的結構、特性及應用設計要點

眾所周知，二極管具有正向導通以及反向電壓鉗位的特性，合理地利用這一特點就可取得抑制瞬態過電壓的作用。實踐中，人們設計了齊納二極管、雪崩二極管以及在此基礎上改進而成的瞬態過電壓抑制TVS管。這些二極管并聯在被保護電路兩端，當其上的雷擊電涌、ESD電壓超過一定的幅度時，二極管迅速導通鉗位，將過電壓沖擊能量泄放掉。同壓敏電阻相比，抑制二極管不僅響應速度更快，而且鉗位電壓更平坦、更穩定。基于硅材料的齊納二極管、雪崩二極管、TVS管具有多種封裝、組合方式和不同的容量規格，具有保護精準、體積小、可靠性高等優點，目前在數碼相機、掃描器、計算機、手機等消費電子領域以及通信網絡產品領域得到了廣泛應用。

1、 齊納二極管和雪崩二極管

1.1 齊納二極管和雪崩二極管原理

二極管內部PN結是其特性的決定因素，齊納二極管和雪崩二極管進行過電壓鉗位也是利用了這個特性。圖1所示為二極管的典型伏安特性曲線，該曲線具有正向導通、反向關斷以及反向擊穿三個狀態。當二極管承受正向電壓大于0.7V時，即正向導通；當二極管承受的反向電壓不大，小于VWM時，PN結反偏形成的漏電流很小，二極管接近關斷狀態；當反向電壓繼續增大，高于一定值VBR時，PN結反向擊穿導通，反方向電流迅速增大。齊納二極管和雪崩二極管的反向擊穿曲線特別陡，具有很好的電壓鉗位性能，因此適用于瞬態過電壓的保護。圖2所示為齊納二極管、雪崩二極管實物圖及其電路符號。

圖1 二極管的典型伏安特性曲線

齊納二極管和雪崩二極管雖然都可以進行反向電壓鉗位，但兩者的機理和特性還是有一些區別的。齊納二極管利用的是隧道量子效應，當PN結很薄時，在較高反向電壓作用下，PN結中存在的強電場將電子從結的一側穿透到另一側，從而形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度較大，僅在雜質濃度特別大、電荷密度大且薄的PN結才能做得到。通過串聯齊納二極管就可獲更高的反向鉗位電壓，使得其在穩壓器、電壓基準元器件方面廣泛應用。雪崩二極管的反向擊穿是PN結反向電壓增大到一數值后，載流子能量在很強電場的作用下增大，其晶體原子不斷相碰，使共價鍵中的電子激發形成自由電子-空穴對。新產生的載流子又增加速度，再進行碰撞產生新的自由電子-空穴對，數量不斷發生倍增效應，即像雪崩一樣增加載流子，從而產生更大的反向電流。通常的二極管摻雜濃度不太高，因此，擊穿機理多為雪崩擊穿效應。

圖2 齊納二極管和雪崩二極管

從應用的角度來講，反向擊穿電壓小于5V的PN結因耗盡層薄而多為齊納擊穿機理。反向擊穿電壓大于8V的PN結則多為雪崩擊穿機理。反向擊穿電壓在5～8V之間的二極管則可能同時具有齊納或雪崩擊穿過程。齊納二極管和雪崩二極管雖均利用反向擊穿進行過電壓抑制，二者在耐受暫態脈沖沖擊能力和鉗位電壓水平方面還是有所差異的。通常，齊納二極管響應速度慢于雪崩二極管，耐沖擊電流能力也較小。因而，在瞬態過電壓保護電路中多用雪崩二極管，在穩壓電路中更多地用齊納二極管。此外，兩者受溫度影響的效果也不同。齊納二極管多為負溫度系數，隨著結溫的上升，反向擊穿電壓下降。而雪崩二極管為正溫度系數，隨著結溫的上升，反向擊穿電壓上升。上述齊納二極管、雪崩二極管均為單方向起鉗位電壓作用的。為了能抑制正、負兩個方向的過電壓，人們將兩只二極管的陰極對接，串聯起來，封裝在一個體內。用這種方式，同時還可以起到減小單個管子間連線的寄生電感、改善鉗位效果、減小體積的優點。圖3所示為雙向鉗位二極管的伏安特性曲線和電路符號。

圖3 雙向鉗位二極管

1.2 齊納二極管和雪崩二極管的性能特點

齊納二極管和雪崩二極管有自己突出的性能特點，既具有反應快、吸收容量小的優點，也有漏電流大、寄生電容大的缺點，在使用時需要合理運用。（1）響應時間齊納二極管和雪崩二極管是通過很薄的PN結效應來實現電壓鉗位的，其響應時間可達皮秒級。相對于氣體放電管、壓敏電阻，它的反應速度更快，因此能在過電壓出現后很快就響應，將過電壓鉗位到較小數值，有利于保護后續敏感電路。此外，齊納二極管和雪崩二極管的鉗位電壓波動很小，相對于壓敏電阻來講，反向擊穿段的動態電阻更小，殘壓比更低，保護也更精準。當然，齊納二極管和雪崩二極管的鉗位電壓范圍、吸收能量容量與氣體放電管、壓敏電阻相比，數值上一般要小很多。因此，它們適合直接作為低電平工作的敏感IC、線路以及電子設備的雷擊電涌、ESD多級保護電路的最末一級，對過電壓脈沖進行直接的可靠保護。（2）泄漏電流齊納二極管和雪崩二極管在被保護電子設備中工作時，在系統正常工作電壓下，處于反向關斷區，但PN結的反向阻擋層厚度有限，其關斷電阻無法做到很高，從而在系統工作電壓作用下產生一定的漏電流。齊納二極管和雪崩二極管的漏電流與氣體放電管、壓敏電阻相比，其相對值更大，成為一個缺點。例如，僅在5V電壓作用下，有些齊納二極管的漏電流可達1～5mA，有些雪崩二極管的漏電流也可達幾百微安至1mA。齊納二極管和雪崩二極管的漏電流主要受外加反向電壓的大小、PN結區溫度高低的影響。一般來講，二極管的泄漏電流會隨反向電壓的增大而增大。擊穿電壓高的二極管的漏電流比擊穿電壓低的二極管的泄漏電流小。PN結溫度對二極管泄漏電流的影響則因二極管的不同而有所不同。對擊穿電壓高的二極管，泄漏電流整體的數值小些，但當結溫度變化時，漏電流的數值變化較大；而對擊穿電壓低的二極管，漏電流雖相對大一些，但結溫變化時，漏電流數值變動卻相對較小。因此，在使用齊納二極管和雪崩二極管時，應注意進行適當的散熱處理和設計。（3）寄生電容在齊納二極管和雪崩二極管的PN結內因反型層而存在著寄生電容。該寄生電容的大小主要由PN結的面積、半導體材料的介電常數、外加電壓大小等因素決定。齊納二極管和雪崩二極管的寄生電容與壓敏電阻的寄生電容都比較大，可從幾十到幾千皮法，遠大于氣體放電管的寄生電容，因此會對并聯的高速信號傳輸產生不利影響。此外，二極管的功率和反向電壓大小也會對寄生電容有著一定的影響。隨著二極管功率容量的加大，PN結的面積也會相應增大，以便減小熱阻，提高通流能力，因此寄生電容也會增大；二極管反向電壓越大，PN結反型層厚度就越大，電荷分布的間距就越大，等效寄生電容就會小。該寄生電容在不同反向電壓下數值也會不同。為減小齊納二極管和雪崩二極管的寄生電容，人們常將普通二極管與雪崩二極管串聯使用。由于普通二極管的寄生電容很小，為20～50pF，與有較大寄生電容的齊納二極管或雪崩二極管相串聯后，支路等效電容為兩者電容值的串聯，即由小的電容量決定，從而使寄生電容數值大幅度降低。圖4所示為兩種串聯設計，但由于普通二極管的響應速度慢一些，整個串聯支路的響應時間也會延長。

圖4 串聯普通二極管減小寄生電容的設計

1.3 齊納二極管和雪崩二極管主要性能參數

（1）鉗位電壓鉗位電壓即反向擊穿電壓，通常在反向電流為10mA或1mA時進行測量而得。

（2）額定電流二極管在反向鉗位狀態下正常工作所允許的穩態電流為額定電流。

（3）脈沖功率

脈沖功率是二極管在10/1000μs的脈沖電流波形下，最大脈沖電流峰值Ipk與最大鉗位電壓Ucm的乘積。該值遠大于鉗位電壓與額定電流的乘積，即穩態吸收功率。

2、TVS瞬變電壓抑制二極管

普通的齊納二極管和雪崩二極管作為瞬態過電壓抑制器件，其瞬態通流以及瞬態功率吸收能力尚有不足，人們對此進行了改進，設計出了TVS（瞬變電壓抑制）二極管。TVS二極管的原理、特性與雪崩二極管基本相同。TVS二極管具有多種封裝形式，如普通形式封裝、表面封裝、陣列封裝等，以用于IC芯片、信號線纜的雷擊電涌、ESD保護。圖5所示為表面封裝和陣列封裝的TVS二極管實物圖。

圖5 典型TVS管實物圖

2.1 TVS管的結構及特性

與普通雪崩二極管相比，TVS管在結構上的主要改進是增大了PN結面積，使瞬態通流能力大大提高。同時，二極管內還設計有鉬或鎢等金屬制成的小散熱器，能夠加快散熱、減低節溫，提高吸收能量。因此，TVS二極管用于保護時具有以下優缺點。（1）優點響應時間短，擊穿電壓誤差小，鉗位精度高，無跟隨電流現象，體積小。并且經受多次瞬變電壓后，性能不下降，可靠性高。（2）缺點由于吸收的瞬態沖擊功率都施加在二極管PN結上，故其所能承受的沖擊功率比氣體放電管、壓敏電阻小很多，通流容量也較小。TVS管的寄生電容較大，而低電容TVS管的功率則較小。故此，TVS管主要適合于沖擊能量較小場合的保護。如果過電壓沖擊能量較大，通常需使用多級分壓鉗位設計，并將TVS管作為末級保護器件。2.2 TVS管主要參數單極性TVS管的典型伏安特性曲線如圖6所示，與雪崩二極管一致。雙極性TVS管的伏安特性是一、三象限對稱的，與圖3（a）相似，不再詳述。下面介紹TVS管的主要技術參數，其中一些已在圖6中標出。

圖6 單極性TVS管的典型伏安特性曲線

（1）額定直流持續工作電壓VWM在額定工作溫度范圍內，只要外加電壓不超過額定直流持續工作電壓，二極管就一直保持在阻斷狀態，不會轉為導通或微通狀態。在實際應用時，這個參數必須大于或等于被保護物體的最大工作電壓，具體參見圖1。

（2）最小擊穿電壓VBR在規定幅值的直流測試電流下，二極管的反向電壓即為最小擊穿電壓。通常測試電流為1mA。

（3）最大鉗位電壓VC在通過規定波形的大電流（幾十至幾百安）時，TVS管兩端出現的最高電壓為最大鉗位電壓。通常測試波形為10/1000μs電流波。

（4）脈沖電流峰值IPP通常為10/1000μs脈沖電流波的峰值。

（5）脈沖功率在規定的10/1000μs電流波形下，TVS管兩端的最大鉗位電壓與管子中電流峰值的乘積為脈沖功率。當考慮管子的額定脈沖功率的參數時，要考慮到實際的暫態脈沖波形。如果實際脈沖的持續時間比10/1000μs的短，則管子可以吸收比額定脈沖功率值更大的暫態功率。比如，一只典型的雪崩二極管在8/20μs波形下能夠通過的最大脈沖電流要比它在10/1000μs波形下能夠通過的最大脈沖電流大6～10倍。

（6）泄漏電流Id在反向電壓VWM作用下，TVS管中流過的反向電流值為泄漏電流。

（7）正向壓降Vf一般以額定的正弦波電流通過半個周期時的壓降表示，一般在0.7～3V。

（8）寄生電容TVS管PN節的電容為寄生電容。該電容受反向電壓影響，通常在1MHz測得。

2.3 TVS管的應用設計要點

選擇和應用TVS管時，應注意以下要點：① 根據被保護設備、線路中可能出現的過電壓極性，確定使用單極性TVS管還是雙極性TVS管。② TVS管的最大鉗位電壓VC應低于被保護電子元器件或設備的耐受電壓水平。③ TVS管的最小擊穿電壓應明顯高于被保護電子系統的最高運行電壓峰值，以防止在系統正常運行電壓時處于弱導通狀態，避免過熱以及產生干擾。④ 估算TVS管在抑制暫態過電壓時可能吸收的最大功率，并按照暫態電流波形的實際持續時間選擇管子的脈沖功率，使額定最大脈沖功率大于電路中出現的最大瞬態脈沖功率。⑤ 對小電流負載的保護，可在TVS管之前串接適當的限流電阻，即可用小峰值吸收功率的TVS管完成瞬態脈沖功率的吸收。此文章來自書籍及網絡資料的整理。