01、前言
上一期我們討論了TVS管應(yīng)用場景，工作原理，以及與穩(wěn)壓管的區(qū)別，見下方鏈接。
本期我們討論一下TVS管的伏安特性曲線和關(guān)鍵性能參數(shù)，內(nèi)容可能存在不準(zhǔn)確或者表述不清晰，歡迎大家討論交流。
02、伏安特性曲線
TVS管按照內(nèi)部PN結(jié)數(shù)量分兩種，雙向TVS和單向TVS，單向適用于直流電，雙向更適合用于交流電，雙向TVS是在單向TVS基礎(chǔ)上增加一個二極管，相當(dāng)于兩個TVS管反向串聯(lián)，它們共用一個負(fù)極。
由下圖可以看出，單向TVS管的負(fù)極接信號端，正極接地，雙向TVS管，若Pin1接信號端，Pin2接地，則鉗位電壓為15V，若Pin2接信號端，Pin1接地，則鉗位電壓為24V。一般來說用于并聯(lián)壓敏電阻兩端，保護120V輸入電路的話，200V雙向TVS管夠用，常常因為誤接220V/277V炸壞120V產(chǎn)品。
圖1 單向和雙向TVS管區(qū)別
TVS管也是屬于二極管的一類，同樣也會有屬于它的伏安特性曲線，單向和雙向曲線如下圖2和圖3。
由于雙向管是對稱的，所以我們分析的時候關(guān)注一邊即可。
第一象限內(nèi)，就是跟普通二極管沒有區(qū)別，由于TVS管工作在反向擊穿區(qū)，此時是工作在反向截止?fàn)顟B(tài)，不影響后級被保護電路正常工作狀態(tài)。正向浪涌電壓VF比較大，超過VF時，才有可能達到正向浪涌電流。
第三象限內(nèi)，當(dāng)施加的反向截止電壓沒有超過最大截止電壓VRWM時，屬于正常工作電壓范圍，此時流經(jīng)TVS管的電流很小，該電流成為漏電流或者待機電流。
當(dāng)瞬態(tài)電壓高于最大反向截止電壓并達到雪崩擊穿電壓VBR時，此時TVS管開始擊穿，從高阻抗的待機狀態(tài)開始向低阻抗的鉗位狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時擊穿電壓VBR對應(yīng)的電流IT是脈沖直流試驗電流，也就是擊穿電流。
當(dāng)瞬態(tài)電壓高到鉗位電壓VC時，此時TVS處于完全雪崩擊穿狀態(tài)，TVS管兩端電壓基本不變，流過的電流從擊穿電流IT迅速增大到峰值脈沖IPP，根據(jù)功率P=UI，電壓不變，電流增大，功率變大，這就意味著瞬態(tài)電壓轉(zhuǎn)變成大電流泄放，用于消耗在瞬態(tài)功率，從而實現(xiàn)了吸收瞬態(tài)過電壓+電壓鉗位的功能。
當(dāng)脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩級間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到高阻抗的待機狀態(tài)。
這是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖干擾，保護電路的過程。
03、關(guān)鍵性能參數(shù)
圖4 力特SMAJ 400W TVS
根據(jù)力特的TVS規(guī)格書，我們知道有以下關(guān)鍵參數(shù)。
3.1 Reverse Stand-off Voltage VRWM(V)
VRWM：反向截止電壓。它是正常不導(dǎo)通的工作電壓，也就是說此時施加在TVS兩端電壓不會引起TVS管動作。它是最大的直流電壓或交流電壓。
3.2 Max Reverse Leakage @RWM IR(uA)
IR：最大反向漏電流，待機電流。根據(jù)伏安特性曲線可知，這點電流是在VRWM下測得，當(dāng)施加在TVS管兩端電壓減小時，漏電流也會減小，并且IR會受到溫度的影響。
如何測試VRWM和IR？測試方法利用的是歐姆定律，一臺可調(diào)直流源，一臺電壓表，一臺微安表，1pcs單向TVS和雙向TVS，搭建如下圖所示，電壓表測VRWM，微安表測IR。
在查閱君耀電子產(chǎn)品手冊發(fā)現(xiàn)，對于同功率和同電壓的TVS，在VRWM≤10V 時，雙向TVS漏電流是單向TVS漏電流的 2 倍。
如果是做低功耗產(chǎn)品時，對漏電流要求高(P=I²R，電流增大，功耗變大)，那需要謹(jǐn)慎選擇TVS管。
3.3 Breakdown Voltage @IT VBR(V)
VBR：擊穿電壓，TVS開始導(dǎo)通的閾值電壓。根據(jù)伏安特性曲線，在規(guī)定的脈沖直流電流IT或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得TVS兩端的電壓。
從力特規(guī)格書可以看出，對于VRWM@7V以下的TVS，測試電流IT是10mA，7V以上則是1mA，這就意味著如果超低功耗產(chǎn)品選用低壓TVS，漏電流會更大。
測試電路如下圖所示。除了一臺脈沖恒流源與測試VRWM&IR的可調(diào)直流源不一樣以外，其余都是一樣配置。
TVS器件廠在測量擊穿電壓VBR時，存在最小和最大的差異，所以VBR落在VBR min和VBR max之間視為合格品，偏差在±5%左右。
3.4 Maximum Clamping Voltage @IPP Vc(V)
VC：最大鉗位電壓。施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流IPP時，TVS兩端測得的峰值電壓，即有浪涌時的限制電壓。根據(jù)伏安特性曲線可知，當(dāng)TVS經(jīng)受瞬態(tài)過電壓時，在擊穿電壓VBR上升到鉗位VC后，電壓就維持在VC不變，這就實現(xiàn)了電壓鉗位的作用。但是這個鉗位電壓不能高于后級被保護電路電壓，意味著雖然鉗位住了電壓，但是超過后級能承受的電壓就相當(dāng)于后級電路并沒有被保護，違背了初心，可見，電路設(shè)計是一個權(quán)衡利弊的事。
3.5 Peak pulse current IPP(A)
IPP： 峰值脈沖電流。指給定脈沖波形@10/1000us的峰值，TVS允許流過的最大浪涌電流。
IPP和VC代表在電路中的抗浪涌能力，一個耐脈沖電流沖擊能力，一個鉗位特性。下圖是10/100us的電流波形。
下圖是測量VC和IPP的電路。根據(jù)S1和S2的開關(guān)，實現(xiàn)示波器測量DUT電壓和電流。
3.6 結(jié)電容
TVS管內(nèi)部PN結(jié)的固有結(jié)電容，由器件結(jié)構(gòu)和工藝決定，對應(yīng)高頻信號很關(guān)鍵，結(jié)電容大會影響高速信號的衰減，所以對于高頻電路來說需要選用低結(jié)電容TVS(一般pf級)，或者串聯(lián)TVS(串聯(lián)后總電容減小)。
結(jié)電容是PN反向偏置產(chǎn)生的寄生電容，大小和PN結(jié)面積、摻雜濃度和施加電壓有關(guān)。
測量時通常選用頻率1MHz，0V偏置電壓下測量。
功率越大的TVS，結(jié)面積越大，結(jié)電容也越大。
結(jié)電容隨反向電壓增加而減小，擊穿時達到最小值。
分立式TVS結(jié)電容較高，表貼式（SMD）可能更低。
