TVS管参数与选型

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前言

任务来源：一个case，当前在电路中所使用的TVS管处于缺货状态，需要评估其他厂商的同类型管子能否替代当前器件，给出评估理由
TVS管保护电路：板级电路有支持USB3.0的type-C输出接口，用于外接USB存储设备。VBUS信号由CC管脚检测芯片输出，在板级边缘VBUS电源线通过TVS管旁路并联到地。
TVS管保护原理：TVS管与并线路板被保护电路并联。当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS将发生雪崩击穿（雪崩击穿与齐纳击穿同属于二极管的电击穿，可PN结可恢复），从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS电路径流到地，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压状态。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。
TVS管的快速响应时间在ps级别。
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TVS的评估与选型

一、关键参数

TVS管的关键参数如下图所示

VRM：截止电压， VBR：击穿电压， VCL 最大箍位电压
VRM, 指的TVS二极管的截止电压（最高工作电压），可连续施加而不引起TVS二极管劣化或损坏的最大直流电压或交流峰值电压。在截止电压下，TVS二极管是不工作的，即不导通的，所以TVS二极管的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证TVS二极管在电路正常工作下不会影响电路工作。
但是TVS 的工作电压高低也决定了TVS 钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择VRWM 时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。

VBR, 击穿电压，指在V-I 特性曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS二极管两端的电压。从此点开始，标志着TVS管进入到雪崩击穿状态。
低压TVS二极管，由于漏电流较大，所以测试电流选取的IT也比较大。TVS二极管SMAJ5.0A，测试电流IT选取10mA。使用脉冲恒流源对TVS二极管施加IT大小的电流时，读出TVS二极管两端的电压则为击穿电压。电流施加时间应不超过400ms，以免造成TVS受热损坏。VBR MIN和VBR MAX是TVS二极管击穿电压的一个偏差，一般TVS 为±5%的偏差。测量时，击穿电压落在VBR MIN和VBR MAX之间，则视为合格品

Vcl 评估抗击浪涌(surge)特性。峰值脉冲电流Ipp和钳位电压Vcl是衡量TVS二极管在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，这两个参数是相互联系的。对于TVS二极管在防雷保护电路中的钳位特性，可以参考钳位电压这个参数。对于相同型号TVS二极管，在相同峰值脉冲电流下，钳位电压越小，说明TVS二极管的钳位特性越好。TVS二极管的耐脉冲电流冲击能力可以参考峰值脉冲电流，同型号的TVS二极管，峰值脉冲电流越大，耐脉冲电流冲击能力越强。（10/1000us和8/20us为两种不同的浪涌测试波形，两种波形能量不一样。8/20us脉冲指的是8us达到100%Ipp，20us达到50%Ipp）

ESD and Surge 防护等级，
一般的TVS管子都会在datasheet 首页标明。如下图所示，该型TVS管符合下列测试标准：
IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——静电测试标准
IEC61000-4-5（8/20us）——浪涌测试标准

二、TVS管使用与选型指南

1，TVS管使用时一般并联在被保护电路上。为了限制流过TVS管的电流不超过管子所允许的峰值电流Ipp, 可以考虑在该线路上串联限流元件，如电阻，自恢复保险丝，电感等。
2，VRM 截止电压的选择，一般稍微大于被保护电路的正常工作电压，（这样做到被保护电路正常工作时，TVS管处于关断状态，减少耗流与增大寿命）。VBR击穿电压要高于被保护电路正常工作电压。Vcl 箍位电压注意要小于后一级电路的最大允许的瞬态输入电压，不然箍位动作没有效果。注意Vbr 与 Vcl的数值与管子结温存在线性关系

3，峰值脉冲功率的选择，要大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，TVS管可承受的最大浪涌功率Pppm=Vcl*Ipp，在低压电路中作为第二级保护时，一般600W（10/1000us）就足够了。
4，漏电流IRM与结电容的影响， 在高速IO端口防护、模拟信号采用、数据接口、低功耗设备场合，需要考虑漏电流与结电容的影响。Cd 为TVS管的引脚寄生电容，在信号传输电路保护时，信号速率越高，ESD保护器件（小功率的TVS管阵列）的结电容要越低。

三、TVS管特点

优点：
1、响应速度快(ps级)、瞬态功率大、漏电流低；
2、击穿电压有从6.8V~550V的系列值，便于各种不同电压的电路使用；
3、钳制电压较准确(±5%)；
缺点：
1、结电容比较大(十几pF~几百pF);
2、耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差，通流量一般在0.52A~544A的范围内;

四、TVS管与稳压二极管的区别

区别在于
（1）工作原理
• TVS管（瞬态电压抑制二极管）：雪崩效应，在高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立马降低到很低的导通值，允许最大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而避免电路中的精密元器件免受损坏。
• 稳压二级管（齐纳二极管）：齐纳隧道效应，当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端电压恒定。
因此，TVS管通常情况下不工作不导通（不击穿），此时对应的漏电流Ir比较小。而稳压管通常处于击穿状态，此时对应的反向的击穿电流相对较大。
（2）性质
• TVS管可分为单极性和双极性，稳压二级管只有单向的
• 在通流能力上，TVS管一般数十安培，最多能达到几百安，稳压管的通流能力很小
• TVS管用于瞬态电压保护，在稳压精度上是一个范围，但是有更强的高压承受能力，稳压管的电压精度比较精准，但是稳压范围比较小
• TVS管响应速度很快，可以达到ps级
（3）主要参数
• TVS管：VBR、VRWM、VCL、IPP、Pppm。
• 稳压管：稳定电压（VZ）、稳定电流（IE）、动态电阻（RZ）、最大耗散功率（PZM）、最大/小稳定工作电流(IZmax/IZmin)、温度系数（AT）。
（4）运用场景
• TVS管用于在短时间内吸收输入的瞬时过电压，并对输出电压进行有效钳位，待到瞬时脉冲结束后，TVS管又恢复到高阻状态，即不导通状态。
• 稳压管用于将输入电压嵌入到一个恒定电压，温压管处于持续的反相导通状态
（5）防护目的
• TVS管的钳位： 保护后级芯片不遭受过电压损坏
• 稳压管的钳位： 给后级芯片提供稳定的电压

五、TVS管与ESD静电保护管的区别

ESD静电保护管与TVS管的工作原理相同，ESD管是由多个TVS管采用不同的布局设计成具有特定功能的单路或者多路保护器件。
（1）应用电路
ESD二极管一般用在关键数据接口（HDMI\USB\ETH总线等）上做静电保护，结电容比较低；
TVS管具有快速的响应能力与强大的浪涌吸收能力，多用于电源线上做防浪涌电压保护，结电容比较高。
（2）引脚数量
ESD管一般需要三个引脚（一个GPIO，一个电源+，一个电源-）
TVS管与普通二极管引脚一样
（3）关键参数
ESD管看的是ESD金蛋保护管抗静电等级LEVEL，TVS管看的是功率与封装形式

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Note

参考资料均来自网络