在電子設(shè)備的世界里，各種電路時刻面臨著瞬態(tài)過電壓的威脅，這些瞬間出現(xiàn)的高壓尖峰可能來自靜電放電、雷擊、電源浪涌等，它們就像隱藏在暗處的 “殺手”，隨時可能對電路中的精密元器件造成損害，影響設(shè)備的正常運行，甚至導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。而瞬態(tài)抑制 TVS 二極管，正是為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)而誕生的電路保護(hù) “衛(wèi)士”。

一、TVS 二極管是什么

TVS，即 Transient Voltage Suppressor 的縮寫，中文名為瞬態(tài)抑制二極管 ，是一種新型高效電路保護(hù)器件 。它外觀與普通二極管相似，但其功能卻有著獨特之處。TVS 二極管的核心使命是在電路遭遇瞬態(tài)過電壓時，迅速發(fā)揮作用，保護(hù)其他電路元件免受損害 。

二、TVS 二極管的工作原理

TVS 二極管的工作基于 PN 結(jié)的雪崩擊穿效應(yīng) 。在正常工作狀態(tài)下，TVS 二極管兩端所加電壓低于其擊穿電壓，此時它處于高阻態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過，如同電路中的 “旁觀者”，對電路正常運行幾乎沒有影響 。

一旦電路中出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓，且電壓幅值超過 TVS 二極管的擊穿電壓，PN 結(jié)就會迅速進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài) 。在這一狀態(tài)下，PN 結(jié)內(nèi)的電子和空穴在強電場作用下被加速，它們高速運動并與晶格原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量新的電子 - 空穴對 。這些新產(chǎn)生的載流子又進(jìn)一步參與碰撞，形成連鎖反應(yīng)，使得 PN 結(jié)中的電流急劇增大 。此時，TVS 二極管的阻抗驟然降低，相當(dāng)于在瞬間變成了一條低阻抗的通路，能夠允許大電流通過 。通過這個低阻抗通路，瞬態(tài)過電壓產(chǎn)生的浪涌電流被引導(dǎo)至接地端，同時 TVS 二極管將兩端電壓箝制在一個預(yù)定的較低水平，從而保護(hù)了與之并聯(lián)的后續(xù)電路元件，使其免受過高電壓的沖擊 。整個過程極為迅速，響應(yīng)時間可達(dá)到亞納秒級，能在極短時間內(nèi)完成對電路的保護(hù) 。

三、TVS 二極管的特性參數(shù)

擊穿電壓(VBR)：這是 TVS 二極管開始進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)的電壓值 。當(dāng) TVS 二極管兩端電壓達(dá)到 VBR 時，其內(nèi)部 PN 結(jié)開始擊穿導(dǎo)通 。在 25℃環(huán)境溫度下，當(dāng)流過 TVS 二極管的電流為規(guī)定的測試電流(如 1mA)時，此時加在 TVS 二極管兩極間的電壓就是其最小擊穿電壓 VBR 。不同型號的 TVS 二極管，擊穿電壓有不同的標(biāo)稱值，且根據(jù)其與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可分為 ±5% VBR 和 ±10% VBR 兩種 。

最大反向關(guān)斷電壓(VWM)：這是 TVS 二極管能夠持續(xù)承受的最大反向直流電壓或脈沖電壓 。當(dāng)電路中施加的反向電壓處于 VWM 及以下時，TVS 二極管處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流 ID 。通常情況下，對于 ±5% VBR 的 TVS 二極管，VWM = 0.85VBR;對于 ±10% VBR 的 TVS 二極管，VWM = 0.81VBR 。在實際應(yīng)用中，需要確保電路的正常工作電壓不超過 TVS 二極管的 VWM，以保證 TVS 二極管在正常狀態(tài)下不會導(dǎo)通 。

最大箝位電壓(VC)：當(dāng)持續(xù)時間為特定值(如 20 微秒)的脈沖峰值電流 IPP 流過 TVS 二極管時，在其兩極間出現(xiàn)的最大峰值電壓即為 VC 。VC 反映了 TVS 二極管在承受瞬態(tài)過電壓時，能夠?qū)㈦妷后橹频降淖罡咚?。它是由串聯(lián)電阻上的電壓以及溫度系數(shù)等因素共同作用導(dǎo)致的電壓上升的組合 。VC 與 VBR 之比稱為箝位因子，一般在 1.2 - 1.4 之間 。在選擇 TVS 二極管時，必須保證其最大箝位電壓 VC 低于被保護(hù)電路元件所能承受的最大電壓，這樣才能確保在瞬態(tài)過電壓出現(xiàn)時，被保護(hù)元件不會因電壓過高而損壞 。

最大峰值脈沖電流(IPP)：這是 TVS 二極管在規(guī)定的脈沖條件下，能夠允許通過的最大脈沖峰值電流 。IPP 與最大箝位電壓 VC 的乘積，就是 TVS 二極管所能承受的瞬態(tài)脈沖功率的最大值 。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，選擇合適 IPP 值的 TVS 二極管，以保證其能夠有效應(yīng)對瞬態(tài)過電壓的沖擊 。

電容量(C)：電容量 C 由 TVS 二極管雪崩結(jié)的截面決定，是在特定的 1MHz 頻率下測得的 。一般來說，C 的大小與 TVS 二極管的電流承受能力成正比 。然而，在一些對信號傳輸質(zhì)量要求較高的電路中，如高頻數(shù)據(jù)傳輸線路，過大的電容會對信號產(chǎn)生衰減，影響信號的完整性 。因此，在這些應(yīng)用場景中，需要選擇電容值較小的 TVS 二極管 。

最大反向漏電流(ID)：當(dāng)最大反向工作電壓 VWM 施加到 TVS 二極管上時，會有一個微小的電流流過，這個電流就是反向漏電流 ID 。在一些對功耗要求極為嚴(yán)格的電路，或者高阻抗電路中，ID 是一個需要重點關(guān)注的參數(shù) 。因為過大的漏電流可能會導(dǎo)致電路功耗增加，甚至影響電路的正常工作 。

最大峰值脈沖功耗(PM)：PM 是 TVS 二極管能夠承受的最大峰值脈沖耗散功率 。在給定的最大箝位電壓下，功耗 PM 越大，TVS 二極管的浪涌電流承受能力越強;在給定的功耗 PM 下，箝位電壓 VC 越低，其浪涌電流承受能力也越大 。需要注意的是，TVS 二極管所能承受的瞬態(tài)脈沖通常是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)一般為 0.01% 。如果電路中存在重復(fù)性脈沖，就需要考慮脈沖功率的 “累積” 效應(yīng)，否則有可能導(dǎo)致 TVS 二極管因過熱而損壞 。

箝位時間(TC)：TC 是指從瞬態(tài)過電壓出現(xiàn)，到 TVS 二極管兩端電壓達(dá)到最小擊穿電壓 VBR 所需要的時間 。TVS 二極管的箝位時間極短，通?？蛇_(dá)到皮秒級，這使得它能夠在極短的時間內(nèi)對瞬態(tài)過電壓做出響應(yīng)，迅速保護(hù)電路 。

四、TVS 二極管的類型

單向 TVS 二極管：單向 TVS 二極管的正向特性與普通二極管相同，在正向?qū)〞r，其表現(xiàn)如同一個普通的整流二極管 。而其反向特性則為典型的 PN 結(jié)雪崩器件，反向擊穿拐點近似 “直角”，屬于硬擊穿 。當(dāng)有瞬時過壓脈沖施加在其兩端且電壓超過擊穿電壓時，單向 TVS 二極管迅速導(dǎo)通，電流急劇增加，同時將反向電壓上升并箝位到預(yù)定的箝位電壓值，并保持在這一水平，直到過壓脈沖消失 。單向 TVS 二極管一般適用于直流電路，在直流電源線路、信號線路等需要保護(hù)的直流回路中應(yīng)用廣泛 。

雙向 TVS 二極管：雙向 TVS 二極管的 V - I 特性曲線如同兩只單向 TVS 二極管 “背靠背” 組合而成 。這使得它在正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性 。雙向 TVS 二極管正反兩面擊穿電壓的對稱關(guān)系為：0.9 ≤ V (BR)(正)/V (BR)(反) ≤ 1.1 。當(dāng)加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓 Vc 時，無論電壓是正向還是反向，雙向 TVS 二極管都會立刻將電壓抑制掉 。由于其獨特的雙向保護(hù)特性，雙向 TVS 二極管非常適合應(yīng)用于交流電路，如交流電源輸入端口、交流信號傳輸線路等 。在這些交流回路中，瞬態(tài)過電壓可能來自正半周或負(fù)半周，雙向 TVS 二極管都能有效地進(jìn)行保護(hù) 。

五、TVS 二極管的應(yīng)用場景

消費電子設(shè)備：在手機、平板電腦、數(shù)碼相機等消費電子產(chǎn)品中，TVS 二極管被廣泛應(yīng)用于各個接口和電路模塊的保護(hù) 。例如，手機的 USB 接口、耳機接口等，在日常使用中很容易受到靜電放電(ESD)的影響 。靜電放電產(chǎn)生的瞬間高壓可能會損壞接口電路中的芯片和其他敏感元件 。通過在這些接口處并聯(lián) TVS 二極管，當(dāng)靜電放電發(fā)生時，TVS 二極管迅速導(dǎo)通，將靜電電荷引入地，從而保護(hù)了接口電路和與之相連的主板電路 。此外，在消費電子產(chǎn)品的電源輸入端口，也常常使用 TVS 二極管來抑制電源浪涌，確保設(shè)備在電源不穩(wěn)定或受到外部電源干擾時能夠正常工作 。

通信設(shè)備：在通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，如路由器、交換機、基站等，TVS 二極管起著至關(guān)重要的保護(hù)作用 。通信線路通常需要連接到室外的天線、電纜等設(shè)備，這些設(shè)備容易受到雷擊和感應(yīng)雷的影響 。雷擊產(chǎn)生的瞬間過電壓可能高達(dá)數(shù)萬伏甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通信設(shè)備內(nèi)部電路所能承受的電壓范圍 。TVS 二極管被安裝在通信線路的入口處，能夠迅速將雷擊產(chǎn)生的高壓脈沖箝位到安全電壓范圍內(nèi)，并將浪涌電流引入地，保護(hù)通信設(shè)備內(nèi)部的電路和芯片不受損壞 。同時，在通信設(shè)備的電源模塊中，TVS 二極管也用于抑制電源線上的瞬態(tài)過電壓，保證設(shè)備供電的穩(wěn)定性 。

汽車電子系統(tǒng)：汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜，各種電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備相互連接 。在汽車行駛過程中，由于發(fā)動機點火、電器設(shè)備的開關(guān)操作等原因，會產(chǎn)生大量的電磁干擾和瞬態(tài)過電壓 。這些干擾和過電壓可能會影響汽車電子系統(tǒng)的正常工作，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)故障 。TVS 二極管在汽車電子系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用于各個電路的保護(hù)，如汽車的電池供電線路、傳感器信號線路、車載通信線路等 。例如，在汽車的車載娛樂系統(tǒng)中，TVS 二極管用于保護(hù)音頻放大器、顯示屏等設(shè)備免受電源浪涌和電磁干擾的影響;在汽車的發(fā)動機控制系統(tǒng)中，TVS 二極管保護(hù) ECU 免受各種瞬態(tài)過電壓的沖擊，確保發(fā)動機的正常運行 。

工業(yè)控制設(shè)備：在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，存在著大量的電氣設(shè)備和復(fù)雜的電磁環(huán)境，工業(yè)控制設(shè)備面臨著各種瞬態(tài)過電壓和電磁干擾的威脅 。TVS 二極管被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的電源輸入、信號輸入輸出等接口，以及內(nèi)部的電路板電路中 。例如，在自動化生產(chǎn)線中的可編程邏輯控制器(PLC)、變頻器、傳感器等設(shè)備，通過使用 TVS 二極管進(jìn)行保護(hù)，能夠提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，減少因瞬態(tài)過電壓和電磁干擾導(dǎo)致的設(shè)備故障和停機時間 。在工業(yè)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)中，如工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS 等，TVS 二極管也用于保護(hù)通信線路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性 。

六、TVS 二極管的選型要點

確定極性：根據(jù)應(yīng)用電路是直流還是交流，以及瞬態(tài)過電壓可能出現(xiàn)的方向來選擇 TVS 二極管的極性 。如果電路為直流電路，且瞬態(tài)過電壓主要來自一個方向，通常選擇單向 TVS 二極管;如果電路為交流電路，或者瞬態(tài)過電壓可能來自兩個方向，則應(yīng)選擇雙向 TVS 二極管 。

考慮擊穿電壓和最大反向關(guān)斷電壓：所選 TVS 二極管的擊穿電壓 VBR 應(yīng)略高于電路的正常工作電壓，但不能過高，否則可能無法及時對瞬態(tài)過電壓做出響應(yīng) 。同時，要確保電路的正常工作電壓始終低于 TVS 二極管的最大反向關(guān)斷電壓 VWM，以保證 TVS 二極管在正常狀態(tài)下不會導(dǎo)通，避免影響電路的正常工作 。

評估最大箝位電壓：最大箝位電壓 VC 必須低于被保護(hù)電路元件所能承受的最大電壓 。這樣，在瞬態(tài)過電壓出現(xiàn)時，TVS 二極管將電壓箝制在 VC 以下，從而保護(hù)了電路元件 。在實際選型中，需要根據(jù)被保護(hù)電路的具體要求，選擇箝位電壓合適的 TVS 二極管 。

確定最大峰值脈沖電流和最大峰值脈沖功耗：根據(jù)電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，計算出所需的最大峰值脈沖電流 IPP 。所選 TVS 二極管的最大峰值脈沖電流 IPP 應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌電流 。同時，要確保 TVS 二極管的最大峰值脈沖功耗 PM 能夠滿足電路的要求，以保證其在承受瞬態(tài)過電壓時不會因過熱而損壞 。在計算 PM 時，需要考慮脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度等因素的影響 。

關(guān)注電容量：對于高頻電路或?qū)π盘杺鬏斮|(zhì)量要求較高的電路，要選擇電容量較小的 TVS 二極管 。因為過大的電容量會對信號產(chǎn)生衰減，影響信號的完整性和傳輸速度 。在數(shù)據(jù)接口電路等應(yīng)用場景中，電容量是一個重要的選型參數(shù) 。

考慮應(yīng)用場景和封裝形式：根據(jù)具體的應(yīng)用場景和安裝空間要求，選擇合適封裝形式的 TVS 二極管 。常見的封裝形式有軸向引線封裝、貼片式封裝、雙列直插式封裝等 。對于高密度安裝的場合，貼片式封裝的 TVS 二極管可以節(jié)省電路板空間;對于需要承受較大功率的應(yīng)用，可能需要選擇軸向引線封裝或大功率模塊封裝的 TVS 二極管 。

總之，TVS 二極管作為一種重要的電路保護(hù)器件，在電子設(shè)備的各個領(lǐng)域都發(fā)揮著不可或缺的作用 。了解 TVS 二極管的特性和正確選型方法，對于設(shè)計可靠、穩(wěn)定的電子電路至關(guān)重要 。無論是消費電子、通信設(shè)備，還是汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域，合理應(yīng)用 TVS 二極管都能夠有效提高設(shè)備的抗干擾能力和可靠性，降低設(shè)備故障率，延長設(shè)備使用壽命 。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，TVS 二極管的性能也在不斷提升，未來它將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為電子設(shè)備的安全運行保駕護(hù)航 。