TVS管原理、特性和选型及失效简析

本文主要对TVS管的原理特性和选型及失效做一个简析，在参考众多资料的基础上进行汇总。

TVS管的原理

电压钳位型瞬态抑制二极管【Transient Voltage Supperssion】
是一种高效能的保护器件。当TVS管两级受到反向瞬态高能量冲击时，它能以极快的速度，将其两极从高阻抗变为低阻抗，吸收电源和信号线上的浪涌功率，使其两极间的电压钳位于一个预定值。也即利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。TVS管在电路中反向使用。

TVS管分类

1. 单向TVS管
单向TVS管的特性和普通的齐纳二极管类似，只能吸收正向的浪涌脉冲，一般只用于直流电路中（且没有反接和负向脉冲出现）。

如上图中所示，单向TVS管只对工作电路中的正向脉冲起到钳位的作用，负向脉冲导通，根据二极管的特性，钳位在-0.7V左右。随着两级间正向电压的逐渐增加，流过TVS管的电流也随之增大。且斜率K逐渐增大。

网友经验：注意汽车电子中电源线上是不可以用单向TVS管的，因为电源反接时14V电压加在TVS管过热，导致炸裂失效。普通信号线上(一般在带感性负载的HSD上面，继电器后边)需要慎重考虑电源反接时是否会构成通路。

1. 双向TVS管
   双向TVS可在两个方向吸收浪涌脉冲on个，实现对电压的钳位。用途较广泛并且交流，直流均可使用。如下图所示：
   

单双向TVS管的对比，如下图更为直白：

TVS管的优缺点分析

• 优点：

  • 响应时间快：相应时间可以达到ps级，是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其相应速度都可以满足要求。
  • 结电容低：根据其制造工艺，大致可分为两种类型，高结电容TVS一般在几百~几千pF的数量级，低结电容TVS一般在几pF~几十pF的数量级。一般分立式TVS结电容较高，表贴式TVS结电容较低。在高频信号线路中，应主要选用较低结电容的TVS管。
  • 非线性特性比压敏电阻好：当通过TVS管的过电流增大是，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，因此可以获得比压敏电阻更低的残压输出，将浪涌限制在较低的电压。
  • 反向漏电流较低：一般为uA级别，几uA~几百uA之间。

• 缺点：
  

  • 反向击穿电压较低：相对于压敏电阻和气体放电管及其它浪涌保护器件而言。
  • 通流容量低：在限压型浪涌保护器件中是最小的，因此一般只能用于最末级的精细保护。
    

  因其通流容量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路等使用TVS管时，一般还需要与压敏电路等通流容量大的器件配合使用。

TVS管的主要特性参数

反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。
一般体现在datasheet中参数为：
1. Reverse Stand-off Voltage :Vrwm– 可承受的最大反向电压
2. Breakdown Voltage@It:Vbr–击穿电压
3. Test Current: It–测试电流
4. Maximum Clamping Voltage:Vc–最大钳位电压
5. Peak Pulse Current:Ipp– 最大脉冲电流
6. Reverse Leakage@Vrwm:Ir–反向漏电流
两种TVS管的I-V特性曲线如下图所示：


TVS管的反向击穿电压、通流容量是电路设计中应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(Ubr)>(1.3~1.6)Umax，公式中Ubr为TVS的反向击穿电压，Umax为直流回路中的电压峰值。

TVS管的失效

TVS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流较大时，也可能造成TVS管炸裂开路。TVS管的使用寿命相对较长。