TVS等同于普通二极管吗？

许多人将硅基瞬态电压抑制器(TVS)称为“二极管”。TVS制造商自己可能也在沿用这个概念;毕竟，我们经常将这些器件称为“TVS 二极管”或“静电放电(ESD)保护二极管”。

从技术上来说，二极管是一种两端子器件，主要沿一个方向传导电流。TVS或TVS二极管也是两端子器件，用于在反向击穿区域中传导电流。

如果TVS等同于“普通二极管”，我们是否可以随便选择TVS 二极管或相关类型的二极管来保护电路呢?如果真这样做的话，结果可能会令人失望。

随着设计几何尺寸的缩小和总线速度的不断提高，TVS二极管的工程设计越来越有挑战性。大多数新型TVS 器件都极为复杂、多结，专为特定应用而设计。虽然在电路图上的符号相同，但内部电路更为精密。图1 是一个低电容、深折回TVS 器件，这绝对不是“普通二极管”。我们来仔细看看。

图 1 – TVS 结构示例

TVS二极管到底是什么?

一个常见的误解是认为TVS二极管等同于齐纳二极管，有很多人将TVS二极管称为“齐纳”。其实TVS二极管和齐纳二极管是为完全不同的应用而设计的。齐纳二极管用于调节电压，因此可在击穿区域内工作(图2)。

图 2 – 齐纳二极管工作区域

TVS二极管是专门用于抑制瞬态过电压事件的器件。在正常工作条件下，TVS对受保护电路呈高阻抗。唯一流动的电流是器件的漏电流，通常为几纳安。当瞬态电压超过器件的击穿电压时，TVS二极管导通(图 3)。

图3 – TVS 工作区域 TVS二极管会在短时间内耗散大量能量。瞬态事件的持续时间从几纳秒到一毫秒不等。这就需要较大的结面积来促进电流的均匀分布，并需要用其他设计元件确保器件可以吸收预期的能量，避免造成损坏。

TVS 参数

TVS工作电压是指器件对电路呈高阻抗时的电压。通常所选TVS器件的工作电压要尽可能接近电路工作电压。在瞬态事件中，受保护线路上的电压将快速升高。一旦超过TVS击穿电压，它就会成为传导瞬态电流的低阻抗路径。

在最大瞬态电流条件下，TVS两端产生的电压被称为钳位电压。这个关键参数常常被忽略，因为它也是受保护电路两端的电压。如果超过了受保护IC 的最大功能限制，它可能会损坏。对高速电路的保护还面临其他设计挑战，例如在不损害TVS传导高能瞬变能力的前提下，降低TVS的有效负载电容。

降低钳位电压

在第一部分中，我们了解到瞬态电压抑制二极管(TVS) 的钳位电压是关键的保护参数。TVS制造商一直在努力降低钳位电压，以适配不断缩小的IC尺寸和对过电压事件的更高敏感性。实现低钳位电压的一种方法是将器件设计为一旦触发即可“折回”至较低电压的结构。折回可深可浅，具体取决于预期的应用。实现深折回的一种方法是设计一种自触发晶闸管TVS结构(图4)。

图4 深折回的TVS结构

使PNP晶体管的集电极-基极在特定电压下击穿，便可实现自触发，并可通过TVS 结构精确控制。在瞬态事件中，TVS开始导通，电流流入NPN晶体管的基极。随后电流被驱动到PNP晶体管的基极，依此类推，直到两个晶体管都被驱动到饱和状态。这样两个端子之间的电压会突然折回或降至低电平。一旦瞬变消退，只要移除受保护线路上的电压，器件就会返回到高阻抗状态。这种保护解决方案的一个缺点是在某些应用中可能发生“闩锁”。瞬态电压事件触发TVS时会发生闩锁，并在瞬态消散后保持导通。虽然深折回器件提供了一些可行的最低钳位电压解决方案，但出于闩锁考虑，可能需要使用非折回或浅折回器件。图5 是典型的浅折回TVS 电路。

图5 浅折回的结构

这里，TVS与具有浮动基极的晶体管的集电极-发射极并联。基极被设计为一旦TVS开始导通，晶体管集电极-发射极两端的电压将迫使基极“穿通”。结果是轻微或“浅”折回特性。图6 为TVS IV 特性曲线的对比。

图6 TVS IV 特性

降低电容

TVS 必须提供针对瞬态事件的保护，而又不影响电路的正常工作。这很有挑战性，因为参数通常相互冲突。例如，高速电路上使用的TVS 必须具有低电容以避免信号衰减。但器件吸收能量的能力与结面积有关。结面积越大，吸收的能量越多。不过结面积越大，器件电容也会增加，这是不利的一面。降低有效电容的常用方法是将低电容转向二极管电路与TVS 结合使用(图7)。

图7 低电容 TVS

TVS 的电容实际上被“隐藏”在电路中。补偿电路的设计要求二极管具有足够大的面积，在正向偏压条件下传导瞬态电流，并且反向击穿电压应大于TVS 的击穿电压。符合这些要求的TVS 通常是单片器件。