TVS瞬变电压抑制二极管的结构、特性及应用设计要点

众所周知，二极管具有正向导通以及反向电压钳位的特性，合理地利用这一特点就可取得抑制瞬态过电压的作用。实践中，人们设计了齐纳二极管、雪崩二极管以及在此基础上改进而成的瞬态过电压抑制TVS管。这些二极管并联在被保护电路两端，当其上的雷击电涌、ESD电压超过一定的幅度时，二极管迅速导通钳位，将过电压冲击能量泄放掉。同压敏电阻相比，抑制二极管不仅响应速度更快，而且钳位电压更平坦、更稳定。基于硅材料的齐纳二极管、雪崩二极管、TVS管具有多种封装、组合方式和不同的容量规格，具有保护精准、体积小、可靠性高等优点，目前在数码相机、扫描器、计算机、手机等消费电子领域以及通信网络产品领域得到了广泛应用。

1、 齐纳二极管和雪崩二极管

1.1 齐纳二极管和雪崩二极管原理

二极管内部PN结是其特性的决定因素，齐纳二极管和雪崩二极管进行过电压钳位也是利用了这个特性。图1所示为二极管的典型伏安特性曲线，该曲线具有正向导通、反向关断以及反向击穿三个状态。当二极管承受正向电压大于0.7V时，即正向导通；当二极管承受的反向电压不大，小于VWM时，PN结反偏形成的漏电流很小，二极管接近关断状态；当反向电压继续增大，高于一定值VBR时，PN结反向击穿导通，反方向电流迅速增大。齐纳二极管和雪崩二极管的反向击穿曲线特别陡，具有很好的电压钳位性能，因此适用于瞬态过电压的保护。图2所示为齐纳二极管、雪崩二极管实物图及其电路符号。

图1 二极管的典型伏安特性曲线

齐纳二极管和雪崩二极管虽然都可以进行反向电压钳位，但两者的机理和特性还是有一些区别的。齐纳二极管利用的是隧道量子效应，当PN结很薄时，在较高反向电压作用下，PN结中存在的强电场将电子从结的一侧穿透到另一侧，从而形成大的反向电流。齐纳击穿需要的电场强度较大，仅在杂质浓度特别大、电荷密度大且薄的PN结才能做得到。通过串联齐纳二极管就可获更高的反向钳位电压，使得其在稳压器、电压基准元器件方面广泛应用。雪崩二极管的反向击穿是PN结反向电压增大到一数值后，载流子能量在很强电场的作用下增大，其晶体原子不断相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又增加速度，再进行碰撞产生新的自由电子-空穴对，数量不断发生倍增效应，即像雪崩一样增加载流子，从而产生更大的反向电流。通常的二极管掺杂浓度不太高，因此，击穿机理多为雪崩击穿效应。

图2 齐纳二极管和雪崩二极管

从应用的角度来讲，反向击穿电压小于5V的PN结因耗尽层薄而多为齐纳击穿机理。反向击穿电压大于8V的PN结则多为雪崩击穿机理。反向击穿电压在5～8V之间的二极管则可能同时具有齐纳或雪崩击穿过程。齐纳二极管和雪崩二极管虽均利用反向击穿进行过电压抑制，二者在耐受暂态脉冲冲击能力和钳位电压水平方面还是有所差异的。通常，齐纳二极管响应速度慢于雪崩二极管，耐冲击电流能力也较小。因而，在瞬态过电压保护电路中多用雪崩二极管，在稳压电路中更多地用齐纳二极管。此外，两者受温度影响的效果也不同。齐纳二极管多为负温度系数，随着结温的上升，反向击穿电压下降。而雪崩二极管为正温度系数，随着结温的上升，反向击穿电压上升。上述齐纳二极管、雪崩二极管均为单方向起钳位电压作用的。为了能抑制正、负两个方向的过电压，人们将两只二极管的阴极对接，串联起来，封装在一个体内。用这种方式，同时还可以起到减小单个管子间连线的寄生电感、改善钳位效果、减小体积的优点。图3所示为双向钳位二极管的伏安特性曲线和电路符号。

图3 双向钳位二极管

1.2 齐纳二极管和雪崩二极管的性能特点

齐纳二极管和雪崩二极管有自己突出的性能特点，既具有反应快、吸收容量小的优点，也有漏电流大、寄生电容大的缺点，在使用时需要合理运用。（1）响应时间齐纳二极管和雪崩二极管是通过很薄的PN结效应来实现电压钳位的，其响应时间可达皮秒级。相对于气体放电管、压敏电阻，它的反应速度更快，因此能在过电压出现后很快就响应，将过电压钳位到较小数值，有利于保护后续敏感电路。此外，齐纳二极管和雪崩二极管的钳位电压波动很小，相对于压敏电阻来讲，反向击穿段的动态电阻更小，残压比更低，保护也更精准。当然，齐纳二极管和雪崩二极管的钳位电压范围、吸收能量容量与气体放电管、压敏电阻相比，数值上一般要小很多。因此，它们适合直接作为低电平工作的敏感IC、线路以及电子设备的雷击电涌、ESD多级保护电路的最末一级，对过电压脉冲进行直接的可靠保护。（2）泄漏电流齐纳二极管和雪崩二极管在被保护电子设备中工作时，在系统正常工作电压下，处于反向关断区，但PN结的反向阻挡层厚度有限，其关断电阻无法做到很高，从而在系统工作电压作用下产生一定的漏电流。齐纳二极管和雪崩二极管的漏电流与气体放电管、压敏电阻相比，其相对值更大，成为一个缺点。例如，仅在5V电压作用下，有些齐纳二极管的漏电流可达1～5mA，有些雪崩二极管的漏电流也可达几百微安至1mA。齐纳二极管和雪崩二极管的漏电流主要受外加反向电压的大小、PN结区温度高低的影响。一般来讲，二极管的泄漏电流会随反向电压的增大而增大。击穿电压高的二极管的漏电流比击穿电压低的二极管的泄漏电流小。PN结温度对二极管泄漏电流的影响则因二极管的不同而有所不同。对击穿电压高的二极管，泄漏电流整体的数值小些，但当结温度变化时，漏电流的数值变化较大；而对击穿电压低的二极管，漏电流虽相对大一些，但结温变化时，漏电流数值变动却相对较小。因此，在使用齐纳二极管和雪崩二极管时，应注意进行适当的散热处理和设计。（3）寄生电容在齐纳二极管和雪崩二极管的PN结内因反型层而存在着寄生电容。该寄生电容的大小主要由PN结的面积、半导体材料的介电常数、外加电压大小等因素决定。齐纳二极管和雪崩二极管的寄生电容与压敏电阻的寄生电容都比较大，可从几十到几千皮法，远大于气体放电管的寄生电容，因此会对并联的高速信号传输产生不利影响。此外，二极管的功率和反向电压大小也会对寄生电容有着一定的影响。随着二极管功率容量的加大，PN结的面积也会相应增大，以便减小热阻，提高通流能力，因此寄生电容也会增大；二极管反向电压越大，PN结反型层厚度就越大，电荷分布的间距就越大，等效寄生电容就会小。该寄生电容在不同反向电压下数值也会不同。为减小齐纳二极管和雪崩二极管的寄生电容，人们常将普通二极管与雪崩二极管串联使用。由于普通二极管的寄生电容很小，为20～50pF，与有较大寄生电容的齐纳二极管或雪崩二极管相串联后，支路等效电容为两者电容值的串联，即由小的电容量决定，从而使寄生电容数值大幅度降低。图4所示为两种串联设计，但由于普通二极管的响应速度慢一些，整个串联支路的响应时间也会延长。

图4 串联普通二极管减小寄生电容的设计

1.3 齐纳二极管和雪崩二极管主要性能参数

（1）钳位电压钳位电压即反向击穿电压，通常在反向电流为10mA或1mA时进行测量而得。

（2）额定电流二极管在反向钳位状态下正常工作所允许的稳态电流为额定电流。

（3）脉冲功率

脉冲功率是二极管在10/1000μs的脉冲电流波形下，最大脉冲电流峰值Ipk与最大钳位电压Ucm的乘积。该值远大于钳位电压与额定电流的乘积，即稳态吸收功率。

2、TVS瞬变电压抑制二极管

普通的齐纳二极管和雪崩二极管作为瞬态过电压抑制器件，其瞬态通流以及瞬态功率吸收能力尚有不足，人们对此进行了改进，设计出了TVS（瞬变电压抑制）二极管。TVS二极管的原理、特性与雪崩二极管基本相同。TVS二极管具有多种封装形式，如普通形式封装、表面封装、阵列封装等，以用于IC芯片、信号线缆的雷击电涌、ESD保护。图5所示为表面封装和阵列封装的TVS二极管实物图。

图5 典型TVS管实物图

2.1 TVS管的结构及特性

与普通雪崩二极管相比，TVS管在结构上的主要改进是增大了PN结面积，使瞬态通流能力大大提高。同时，二极管内还设计有钼或钨等金属制成的小散热器，能够加快散热、减低节温，提高吸收能量。因此，TVS二极管用于保护时具有以下优缺点。（1）优点响应时间短，击穿电压误差小，钳位精度高，无跟随电流现象，体积小。并且经受多次瞬变电压后，性能不下降，可靠性高。（2）缺点由于吸收的瞬态冲击功率都施加在二极管PN结上，故其所能承受的冲击功率比气体放电管、压敏电阻小很多，通流容量也较小。TVS管的寄生电容较大，而低电容TVS管的功率则较小。故此，TVS管主要适合于冲击能量较小场合的保护。如果过电压冲击能量较大，通常需使用多级分压钳位设计，并将TVS管作为末级保护器件。2.2 TVS管主要参数单极性TVS管的典型伏安特性曲线如图6所示，与雪崩二极管一致。双极性TVS管的伏安特性是一、三象限对称的，与图3（a）相似，不再详述。下面介绍TVS管的主要技术参数，其中一些已在图6中标出。

图6 单极性TVS管的典型伏安特性曲线

（1）额定直流持续工作电压VWM在额定工作温度范围内，只要外加电压不超过额定直流持续工作电压，二极管就一直保持在阻断状态，不会转为导通或微通状态。在实际应用时，这个参数必须大于或等于被保护物体的最大工作电压，具体参见图1。

（2）最小击穿电压VBR在规定幅值的直流测试电流下，二极管的反向电压即为最小击穿电压。通常测试电流为1mA。

（3）最大钳位电压VC在通过规定波形的大电流（几十至几百安）时，TVS管两端出现的最高电压为最大钳位电压。通常测试波形为10/1000μs电流波。

（4）脉冲电流峰值IPP通常为10/1000μs脉冲电流波的峰值。

（5）脉冲功率在规定的10/1000μs电流波形下，TVS管两端的最大钳位电压与管子中电流峰值的乘积为脉冲功率。当考虑管子的额定脉冲功率的参数时，要考虑到实际的暂态脉冲波形。如果实际脉冲的持续时间比10/1000μs的短，则管子可以吸收比额定脉冲功率值更大的暂态功率。比如，一只典型的雪崩二极管在8/20μs波形下能够通过的最大脉冲电流要比它在10/1000μs波形下能够通过的最大脉冲电流大6～10倍。

（6）泄漏电流Id在反向电压VWM作用下，TVS管中流过的反向电流值为泄漏电流。

（7）正向压降Vf一般以额定的正弦波电流通过半个周期时的压降表示，一般在0.7～3V。

（8）寄生电容TVS管PN节的电容为寄生电容。该电容受反向电压影响，通常在1MHz测得。

2.3 TVS管的应用设计要点

选择和应用TVS管时，应注意以下要点：① 根据被保护设备、线路中可能出现的过电压极性，确定使用单极性TVS管还是双极性TVS管。② TVS管的最大钳位电压VC应低于被保护电子元器件或设备的耐受电压水平。③ TVS管的最小击穿电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，以防止在系统正常运行电压时处于弱导通状态，避免过热以及产生干扰。④ 估算TVS管在抑制暂态过电压时可能吸收的最大功率，并按照暂态电流波形的实际持续时间选择管子的脉冲功率，使额定最大脉冲功率大于电路中出现的最大瞬态脉冲功率。⑤ 对小电流负载的保护，可在TVS管之前串接适当的限流电阻，即可用小峰值吸收功率的TVS管完成瞬态脉冲功率的吸收。此文章来自书籍及网络资料的整理。