【導讀】PN結二極管具有正向導通，反向關(guān)斷的特性，通過(guò)不同的材料、摻雜、外延以及工藝的改進(jìn)使其廣泛應用于電力電子行業(yè)功率變換與電路保護，TVS二極管具有響應速度快、漏電流小、鉗位電壓穩以及無(wú)壽命衰減的特性，從小到信號線(xiàn)靜電防護，大到電力系統抗雷擊浪涌，TVS都發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。本章對TVS工作機理與核心參數展開(kāi)分析，供產(chǎn)品選型參考。
TVS二極管工作原理
TVS二極管，既瞬態(tài)抑制二極管，又叫雪崩擊穿二極管，采用半導體工藝制成的單個(gè)PN結或多個(gè)PN結集成的器件。TVS二極管有單向與雙向之分，單向TVS二極管一般應用于直流供電電路，雙向TVS二極管應用于電壓交變的 電路。當應用于直流電路時(shí)，單向TVS二極管反向并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時(shí)，TVS二極管處于截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當電路出現異常過(guò)電壓并達到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導致的瞬時(shí)過(guò)電流，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當異常過(guò)電壓消失后，TVS 阻值又恢復為高阻態(tài)。
TVS二極管在結構上改進(jìn)增大PN結面積，使其瞬態(tài)通流能力大大提高，其摻雜濃度與耐壓成反比與浪涌電流成正比，低摻雜使得節點(diǎn)獲得更高耐壓，相應的通流能力變弱，通過(guò)擴大晶圓尺寸的方式來(lái)能解決高壓與大通流不可兼容的問(wèn)題，同樣的也會(huì )帶來(lái)成本的增加。
在實(shí)際應用中如果無(wú)需單向TVS二極管正向導通來(lái)實(shí)現一定程度的續流，那么采用雙向TVS二極管可以達到同樣保護效果，同時(shí)還具有防止直流電壓反接而引起的TVS短路燒毀現象。
齊納擊穿與雪崩擊穿
TVS二極管與Zener二極管同樣作為過(guò)壓保護， TVS著(zhù)重浪涌電壓的鉗位保護，具有抗大電流沖擊的能力；Zener管著(zhù)重于穩壓效果，具有浪涌電流小，保護電壓穩的特點(diǎn)，兩者在原理與保護特性有所區別，同時(shí)在個(gè)別應用領(lǐng)域又能一定程度的互換。
齊納擊穿
當反向電壓增大到一定值時(shí)，勢壘區內就能建立起很強的電場(chǎng)，它能夠直接將束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子拉出來(lái)，使勢壘區產(chǎn)生大量的電子一空穴對，形成較大的反向電流，產(chǎn)生擊穿，把這種在強電場(chǎng)作用下，使勢壘區中原子直接激發(fā)的擊穿現象稱(chēng)為齊納擊穿。
齊納擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較高的PN結，空間電荷區的電荷密度很大，寬度較窄，只要加不大的反向電壓，就能建立起很強的電場(chǎng)，發(fā)生齊納擊穿。
雪崩擊穿
隨著(zhù)反向電壓的提高，空間電荷區內電場(chǎng)增強，通過(guò)勢壘區的載流子獲得的能量也隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓Vbr時(shí)，這些有較高能量的載流子與空間電荷區內的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子一空穴對。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會(huì )在電場(chǎng)的作用下，重新獲得能量，碰撞其它的中性原子使之電離，再產(chǎn)生更多的電子一空穴對。這種連鎖反應繼續下去，使空間電荷區內的載流子數量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產(chǎn)生擊穿。所以把這種擊穿稱(chēng)為雪崩擊穿。
雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較低的PN結，空間電荷區寬度較寬，發(fā)生碰撞電離的機會(huì )較多。
TVS二極管主要參數:
TVS作為浪涌保護器件，熟練掌握其關(guān)鍵參數能幫助產(chǎn)品選型與設計。這里以SMC(DO-214AB)封裝大功率8kW產(chǎn)品8.0SMDJ系列為例展開(kāi)介紹。
耗散功率，正向峰值電流，正向導通壓降，工作溫度以及熱阻等參數可以在應用中作為參考，正向導通特性?xún)H限于單向TVS，在一定程度上可以作為小電流泄放回路。
峰值脈沖功率Pppm
TVS二極管通常是10/1000us波形下達到的瞬態(tài)峰值功率，是最大脈沖電流峰值與最大鉗位電壓的乘積，鑒于實(shí)際應用會(huì )碰到各種不同脈沖寬度的浪涌沖擊，規格書(shū)同步給出了峰值脈沖功率與脈沖寬度曲線(xiàn)作為設計參考，從曲線(xiàn)可以看出，隨著(zhù)脈沖時(shí)間縮短，瞬時(shí)功率得到提升，一只典型的TVS在脈沖8/20us下的脈沖功率是10/1000us波形下的5~10倍。
TVS二極管雪崩效應具有正溫度系數特性，即溫度越高其漏電流與鉗位電壓越高，同時(shí)因為結點(diǎn)溫度的限制，使得TVS二極管脈沖峰值功率在高溫下需要考慮降額。
截止電壓Vr
TVS 的截止電壓，可連續施加而不引起 TVS損壞的最高工作峰值電壓。TVS符合二極管的反向耐壓特性，電壓越高漏電流越大，因此截止電壓通常是定義在uA級電流下，此電流幅值并聯(lián)于電路當中不會(huì )對信號產(chǎn)生衰減，同時(shí)長(cháng)時(shí)間工作狀態(tài)下不會(huì )因為漏電流過(guò)大導致過(guò)熱而失效。因此在產(chǎn)品選型時(shí)，電路的最高工作電壓必須小于Vr，否則將會(huì )引起TVS動(dòng)作導致電路異常。
漏電流Ir
漏電流，也稱(chēng)待機電流。在規定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò) TVS 反向的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于一些信號端口，漏電流會(huì )為控制或通訊線(xiàn)路的電壓信號提供泄放通道，所以TVS的漏電流越小越好。
擊穿電壓Vbr/測試漏電流It
擊穿電壓是TVS二極管反向截止與雪崩擊穿工作分界線(xiàn)，測試方式為在TVS兩端施加電壓，直到對應的測試漏電流It為1mA或者10mA，此時(shí)測出的電壓為擊穿電壓。TVS二極管在生產(chǎn)時(shí)存在一致性偏差，通常選定誤差范圍為±5%，在誤差范圍以外的產(chǎn)品在產(chǎn)品出廠(chǎng)前會(huì )被判定為不良品而篩除。
鉗位電壓Vc/峰值脈沖電流Ipp
最大鉗位電壓與峰值脈沖電流構成了TVS二極管浪涌保護能力，即前面講到的峰值脈沖功率Pppm。TVS 一般選用給定 10/1000μs 峰值脈沖電流波形時(shí)， TVS 兩端測得的峰值電壓。對于相同規格TVS，在相同 峰值脈沖電流下的鉗位電壓越小，說(shuō)明 TVS 的鉗位保護特性越好。
結電容Cj
TVS二極管的結電容與擊穿電壓成反比，擊穿電壓越高，結電容越小。相比于單向TVS，雙向TVS因自身等效雙二極管反向串聯(lián)的工藝擁有更低的結電容。
眾所周知電容具有隔直通交的效果，通過(guò)RC構成時(shí)間常數，因此對于高頻信號就需要通過(guò)減小等效電阻以及結電容來(lái)減少信號衰減。TVS結電容較大通常用于頻率較低的浪涌保護，通過(guò)減小芯片尺寸以及串聯(lián)的方式可以減小TVS結電容，但是也帶來(lái)了浪涌能力減弱的情況。如下SP3401-02UTG通過(guò)整流二極管的搭配與TVS構成串聯(lián)回路，實(shí)現了不犧牲浪涌能力Ipp 10A下的低結電容Cj 0.35pF。
結電容固然對于信號有所影響，但是好的設計會(huì )適當選擇，而不是一味追求低容值，如下來(lái)自L(fǎng)ittelfuse結電容推薦供參考。
浪涌沖擊保護器件從材料可以分為半導體與非半導體，其中TVS與固體放電管為半導體，壓敏與氣體放電管為非半導體，非半導體通過(guò)物理變化起到的保護作用都存在壽命衰減的概念；從保護機理可以分為鉗位型與導通型，鉗位型具有殘壓高、吸收能量大的特點(diǎn)，導通型具有殘壓低、轉移能量大的特點(diǎn)，壓敏與TVS為鉗位型，氣體放電管與固體放電管為導通型，導通型只有在電壓過(guò)零時(shí)才會(huì )關(guān)斷，因此適用于交流回路，如果用在直流電上，需要與鉗位型器件搭配，或者有個(gè)切斷開(kāi)關(guān)。
通常產(chǎn)品類(lèi)別的電氣特性有所區別，因此在產(chǎn)品選型時(shí)要根據實(shí)際保護機制、可靠性以及成本綜合考慮。在信號端口靜電防護里面也會(huì )涉及到不同材料，TVS與聚合物ESD是比較常用的，聚合物與氣體放電管相似，采用尖端放電原理，導電材料換為聚合物，聚合物ESD具有極低結電容的特點(diǎn)，尤其適用于高頻信號端口防護，當然現在的TVS通過(guò)工藝改進(jìn)結電容也越做越低。
來(lái)源：Littelfuse
作者：Rambo Liu
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
