許多人將硅基瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)稱為“二極管”。TVS制造商自己可能也在沿用這個(gè)概念;畢竟，我們經(jīng)常將這些器件稱為“TVS 二極管”或“靜電放電(ESD)保護(hù)二極管”。

從技術(shù)上來說，二極管是一種兩端子器件，主要沿一個(gè)方向傳導(dǎo)電流。TVS或TVS二極管也是兩端子器件，用于在反向擊穿區(qū)域中傳導(dǎo)電流。

如果TVS等同于“普通二極管”，我們是否可以隨便選擇TVS 二極管或相關(guān)類型的二極管來保護(hù)電路呢?如果真這樣做的話，結(jié)果可能會(huì)令人失望。

隨著設(shè)計(jì)幾何尺寸的縮小和總線速度的不斷提高，TVS二極管的工程設(shè)計(jì)越來越有挑戰(zhàn)性。大多數(shù)新型TVS 器件都極為復(fù)雜、多結(jié)，專為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)。雖然在電路圖上的符號(hào)相同，但內(nèi)部電路更為精密。圖1 是一個(gè)低電容、深折回TVS 器件，這絕對(duì)不是“普通二極管”。我們來仔細(xì)看看。

圖 1 – TVS 結(jié)構(gòu)示例

TVS二極管到底是什么?

一個(gè)常見的誤解是認(rèn)為TVS二極管等同于齊納二極管，有很多人將TVS二極管稱為“齊納”。其實(shí)TVS二極管和齊納二極管是為完全不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。齊納二極管用于調(diào)節(jié)電壓，因此可在擊穿區(qū)域內(nèi)工作(圖2)。

圖 2 – 齊納二極管工作區(qū)域

TVS二極管是專門用于抑制瞬態(tài)過電壓事件的器件。在正常工作條件下，TVS對(duì)受保護(hù)電路呈高阻抗。唯一流動(dòng)的電流是器件的漏電流，通常為幾納安。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過器件的擊穿電壓時(shí)，TVS二極管導(dǎo)通(圖 3)。

圖3 – TVS 工作區(qū)域 TVS二極管會(huì)在短時(shí)間內(nèi)耗散大量能量。瞬態(tài)事件的持續(xù)時(shí)間從幾納秒到一毫秒不等。這就需要較大的結(jié)面積來促進(jìn)電流的均勻分布，并需要用其他設(shè)計(jì)元件確保器件可以吸收預(yù)期的能量，避免造成損壞。

TVS 參數(shù)

TVS工作電壓是指器件對(duì)電路呈高阻抗時(shí)的電壓。通常所選TVS器件的工作電壓要盡可能接近電路工作電壓。在瞬態(tài)事件中，受保護(hù)線路上的電壓將快速升高。一旦超過TVS擊穿電壓，它就會(huì)成為傳導(dǎo)瞬態(tài)電流的低阻抗路徑。

在最大瞬態(tài)電流條件下，TVS兩端產(chǎn)生的電壓被稱為鉗位電壓。這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)常常被忽略，因?yàn)樗彩鞘鼙Ｗo(hù)電路兩端的電壓。如果超過了受保護(hù)IC 的最大功能限制，它可能會(huì)損壞。對(duì)高速電路的保護(hù)還面臨其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如在不損害TVS傳導(dǎo)高能瞬變能力的前提下，降低TVS的有效負(fù)載電容。

降低鉗位電壓

在第一部分中，我們了解到瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS) 的鉗位電壓是關(guān)鍵的保護(hù)參數(shù)。TVS制造商一直在努力降低鉗位電壓，以適配不斷縮小的IC尺寸和對(duì)過電壓事件的更高敏感性。實(shí)現(xiàn)低鉗位電壓的一種方法是將器件設(shè)計(jì)為一旦觸發(fā)即可“折回”至較低電壓的結(jié)構(gòu)。折回可深可淺，具體取決于預(yù)期的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)深折回的一種方法是設(shè)計(jì)一種自觸發(fā)晶閘管TVS結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 深折回的TVS結(jié)構(gòu)

使PNP晶體管的集電極-基極在特定電壓下?lián)舸憧蓪?shí)現(xiàn)自觸發(fā)，并可通過TVS 結(jié)構(gòu)精確控制。在瞬態(tài)事件中，TVS開始導(dǎo)通，電流流入NPN晶體管的基極。隨后電流被驅(qū)動(dòng)到PNP晶體管的基極，依此類推，直到兩個(gè)晶體管都被驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。這樣兩個(gè)端子之間的電壓會(huì)突然折回或降至低電平。一旦瞬變消退，只要移除受保護(hù)線路上的電壓，器件就會(huì)返回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。這種保護(hù)解決方案的一個(gè)缺點(diǎn)是在某些應(yīng)用中可能發(fā)生“閂鎖”。瞬態(tài)電壓事件觸發(fā)TVS時(shí)會(huì)發(fā)生閂鎖，并在瞬態(tài)消散后保持導(dǎo)通。雖然深折回器件提供了一些可行的最低鉗位電壓解決方案，但出于閂鎖考慮，可能需要使用非折回或淺折回器件。圖5 是典型的淺折回TVS 電路。

圖5 淺折回的結(jié)構(gòu)

這里，TVS與具有浮動(dòng)基極的晶體管的集電極-發(fā)射極并聯(lián)。基極被設(shè)計(jì)為一旦TVS開始導(dǎo)通，晶體管集電極-發(fā)射極兩端的電壓將迫使基極“穿通”。結(jié)果是輕微或“淺”折回特性。圖6 為TVS IV 特性曲線的對(duì)比。

圖6 TVS IV 特性

降低電容

TVS 必須提供針對(duì)瞬態(tài)事件的保護(hù)，而又不影響電路的正常工作。這很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閰?shù)通常相互沖突。例如，高速電路上使用的TVS 必須具有低電容以避免信號(hào)衰減。但器件吸收能量的能力與結(jié)面積有關(guān)。結(jié)面積越大，吸收的能量越多。不過結(jié)面積越大，器件電容也會(huì)增加，這是不利的一面。降低有效電容的常用方法是將低電容轉(zhuǎn)向二極管電路與TVS 結(jié)合使用(圖7)。

圖7 低電容 TVS

TVS 的電容實(shí)際上被“隱藏”在電路中。補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)要求二極管具有足夠大的面積，在正向偏壓條件下傳導(dǎo)瞬態(tài)電流，并且反向擊穿電壓應(yīng)大于TVS 的擊穿電壓。符合這些要求的TVS 通常是單片器件。