TVS管基礎(chǔ)知識(shí)

1、TVS 管TVS管簡(jiǎn)介對(duì)于電子產(chǎn)品而言， 保護(hù)電路是為了防止電路中的關(guān)鍵敏感型器件受到過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等沖擊的損害。保護(hù)電路的優(yōu)劣對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命至關(guān)重要。瞬態(tài)抑制二極管（TVS,TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESS硼前國(guó)際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，是在 穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新產(chǎn)品，其電路符號(hào)和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無(wú)異。它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)， 同時(shí)把電壓鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12秒級(jí)，因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。Figu

2、re 1TVS 管外形目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交 /直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表（電度表）、RS232/422/423/485、I/O、LAN ISDN、ADSL USB MP3 PDAS GPS CDMA GSM數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模 /差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)、電機(jī)電 磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等 各個(gè)領(lǐng)域。TVS并聯(lián)于線路用于瞬間突波抑制。在正常工作狀態(tài)下TVS對(duì)受保護(hù)器件呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，不影響線路的正常工作，當(dāng)有異常的過(guò)電壓脈沖超過(guò)其擊穿電壓時(shí)，TVS由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，提供的一個(gè)低阻抗

3、路徑使流向被保護(hù)元器件的瞬間電流轉(zhuǎn)而分流到TVS二極管,瞬間的浪涌電流經(jīng) TVS管泄放掉，同時(shí)把電壓精確的限制到一個(gè)安全的水平，當(dāng)異常過(guò)電壓消失后，TVS立即恢復(fù)到高阻狀態(tài)。Figure 2 單向TVS管工作原理TVS管分類A.按極性分為：?jiǎn)螛O性和雙極性兩種；B.按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列（適用多線保護(hù)）、貼片式、組件式和大功率模塊式等。C.按用途可分為：各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專用型器件。TVS管伏-安特性如圖所示，單向TVS的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點(diǎn)近似“直角”為硬擊穿，為典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點(diǎn)到VC值所對(duì)應(yīng)的曲線

4、段表明，當(dāng)有瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，并保持在這一水平上。雙向TVS的V-I特性曲線如同兩只單向 TVS “背靠背”組合， 其正反兩個(gè)方向都具有相 同的雪崩擊穿特性和箝位特性，正反兩面擊穿電壓的對(duì)稱關(guān)系為： 0.9 VBR（lE ）/VBR（反）w 1.1 , 一旦加在它兩端的干擾電壓超過(guò)箝位電壓 VC就會(huì)立刻被抑制 掉，雙向TVS在交流回路應(yīng)用十分方便。Figure 3 單向TVS管伏安特性Figure 4 雙向TVS管伏安特性TVS 特點(diǎn)A. TVS管具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、電容低、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位 電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小、

5、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)；B.將TVS二極管加在信號(hào)及電源線上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈；C.電放電效應(yīng)能釋放超過(guò) 10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù) 10ms；而一般的TTL 器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾（ Crosstalk ）;D.將TVS二極管放置在信號(hào)線及地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。1.1.5 TVS管主要參數(shù)1） 擊穿電壓Vbr器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流IT下，測(cè)得器件兩端的電

6、壓稱為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。2）最大反向脈沖峰值電流 I pp在反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。3） 最大反向工作電壓 Vrwm （或變位電壓）器件反向工作時(shí)，在規(guī)定的 Ir下，器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM通常Vrw= （0.80.9） VBR在這個(gè)電壓下，器件的功率消耗很小。使用時(shí)，應(yīng)使VRW環(huán)低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓。注意：選型時(shí)應(yīng)使Vrwm不低于被保護(hù)器件或線路的正常工作電壓。 一般會(huì)Vop Vrwm 85%*Vc以便TV眼入電路而不影響正常電路工作。為了滿足IEC61000-4-2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管

7、必須達(dá)到可以處理最小8kV（接觸）和15kV（空氣）的ESD沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊 標(biāo)準(zhǔn)。ESQ pulse wavefarm according t。 IEC 61000-4-2Figure 6浪涌及靜電測(cè)試波形1. 8/20 ps pulse waveform according IoEC 6100 0 45最大箝位電壓W(max )在脈沖峰彳1電流I pp作用下器件兩端的最大電壓值稱為最大箝位電壓。使用時(shí)，應(yīng)使 出(max )不高于被保護(hù)器件的最大允許安全電壓。最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝為系數(shù)。即： 箝位系數(shù)=Vmax )/V br , 一般箝位系

8、數(shù)為 1.3左右。反向脈沖峰值功率PprTVS的Ppr取決于脈沖峰值電流Ipp和最大箝位電壓 VC(max),除此以外，還和脈沖波形、 脈沖時(shí)間及環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)脈沖時(shí)間Tp 一定時(shí)，PpR=K1?C2V(max ) ? pp ,式中K1為功率AFigure 7TVS管功率系數(shù)K1系數(shù)，K2為功率的溫度系數(shù)。這個(gè)額定能量值在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)TVS是不可重復(fù)施加的。 但是，在實(shí)際的應(yīng)用中， 浪涌通常是重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個(gè)的脈沖能量比 TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復(fù)施加這些單個(gè)的脈沖能量積累起來(lái)，在某些情況下，也會(huì)超過(guò)TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計(jì)必須在這點(diǎn)上

9、認(rèn)真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時(shí)間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量白累積不至超過(guò)TVS器件的脈沖能量額定值。E=/ i(t) ?/(t)dt式中：i(t)為脈沖電流波形，V(t)為箝位電壓波形。脈津峰值功率與脈沖時(shí)間的關(guān)系Figure 8脈沖峰值功率與脈沖時(shí)間的關(guān)系瓜沖峰值功率降額曲級(jí)Figure 9脈沖峰值功率降額曲線電容CPP主要是指TVS連接GN于口 I/O時(shí)，具有的電容值。Cd為ESD/TVS器件的引腳寄生電容， 通信速率越高，線路上使用的ESD呆護(hù) 器件的結(jié)電容要越低，否則將破壞數(shù)據(jù)信號(hào)。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測(cè)得的。C的大小與 TVS的電流承受

10、能力成正比，C太大將使信號(hào)衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用 TVS的重要參數(shù)。電容對(duì)于數(shù)據(jù)、信號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容對(duì)電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號(hào)強(qiáng)度，因此需要根據(jù)回路的特性來(lái)決定所選器件的電容范圍。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS ,電容不大于3pF),而對(duì)電容要求不高的回 路電容選擇可高于 40pF。漏電流IR當(dāng)最大反向工作電壓施加到 TVS上時(shí)，TVS管有一個(gè)漏電流IR,當(dāng)TVS用于高阻抗電路 時(shí)，這個(gè)漏電流是一個(gè)重要的參數(shù)。TVS管選用原則A.確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限；TVS額定反向關(guān)斷VWMZ大于或

11、等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWMt低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流；Figure 10 脈沖峰值功率降額曲線TVS的最大箝位電壓 VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓;ESD, Surge. pjlseFigure 11脈沖峰值功率降額曲線D.在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗 PPM5須大于被保護(hù)電路內(nèi)可 能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪 涌電流；Vc、Ipp反映了 TVS器件的浪涌抑制能力。當(dāng)TVS承受額定的瞬時(shí)峰值脈沖電流Ipp時(shí)，可能在器件上的瞬時(shí)最大電壓值即最大箝位電壓

12、為Vc。此時(shí)，如果脈沖時(shí)間為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則 TVS的最大峰值脈沖功率為：Ppp=Vc*Ipp。因此在選用 TVS前，最好對(duì)線路中產(chǎn)生的脈沖類型有大致的了解，是單脈沖，還是復(fù)脈沖，脈沖的上升時(shí)間，脈寬，峰值等，以便確定Vc, Ipp , PMF.對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容CPP的TVS器件。；G.根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性 TVS較為合理；多線保 護(hù)選用TVS陣列更為有利；H.溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在55c+150C之間工作。如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大；功耗隨 TVS結(jié)溫增加而下降，從+25C

13、+175C,大約線性下降 50%后擊穿電壓 VBR隨溫度的增加按一定 的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。TVS管短路失效模式TVS失效模式有短路、開路和電特性退化等。其中短路失效最為常見(jiàn)且對(duì)電路的影響最為嚴(yán)重。TVS 一旦發(fā)生短路失效，釋放出的高能量常常會(huì)將保護(hù)的電子設(shè)備損壞。TVS器件主要由芯片、電極系統(tǒng)和管殼 3部分構(gòu)成。其中芯片是核心通常在單晶硅片上 采用擴(kuò)散工藝形成。如果在TVS制造工藝工程中控制不良，則可能造成TVS器件的固有缺陷， 使TVS成品率和可靠性降低，容易導(dǎo)致篩選或使用中失效。1）引發(fā)TVS短路失效的主要內(nèi)在質(zhì)量因素A.芯片粘結(jié)界面空洞：引

14、發(fā)TVS短路的最典型的原因是管芯與內(nèi)引線組件、底座銅片燒結(jié)不良，在燒結(jié)界面出現(xiàn)大面積空洞。空洞可能是由于焊料不均勻或粘結(jié)界面各層材料玷污、氧化使焊料沾潤(rùn)不良， 造成燒焊時(shí)焊料與芯片或金屬電極沒(méi)有良好的 熔合焊接引起的?？斩疵娣e較大時(shí)電流在燒結(jié)點(diǎn)附近匯聚，管芯散熱困難，造成熱電應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部熱電，嚴(yán)重時(shí)引起熱奔，使器件燒毀?？斩疵娣e較小時(shí)可加速焊料熱疲勞，使焊料層會(huì)產(chǎn)生疲勞龜裂引起器件熱阻增大， 最終導(dǎo)致器件過(guò)熱燒毀。B.臺(tái)面缺陷：TVS臺(tái)面缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS制造工藝過(guò)程中造成芯片臺(tái)面損傷的原因主要有芯片在酸蝕成型時(shí)用于氫氟酸、硝酸混合液配方過(guò)濃或過(guò)高而反應(yīng)劇烈燒焊過(guò)后進(jìn)行

15、堿腐蝕清洗時(shí)腐蝕液濃度過(guò)大溫度過(guò)高而造成堿腐蝕清洗過(guò)重。C.表面強(qiáng)積累層或強(qiáng)反型層：即便TVS器件芯片臺(tái)面完好，TVS短路失效也容易發(fā)生在表面。這是由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性在表面上中斷，加上半導(dǎo)體表面往往存在許多磨片、拋光、噴砂、切片等引起的晶格缺陷，吸附腐蝕時(shí)殘留的化學(xué)品、氣體或其 它污染物會(huì)使半導(dǎo)體表面帶電。 表面電荷被保護(hù)膠鈍化并吸附或排斥半導(dǎo)體體內(nèi)的自由載流子在pn結(jié)邊緣形成表面積累層耗盡層或反型層等表面空間電荷層。在外加電壓的作用下強(qiáng)積累層或強(qiáng)反型層使 pn結(jié)邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度大于體內(nèi) pn結(jié)邊緣部分在比額定擊穿電壓低的電壓下便達(dá)到臨界電場(chǎng)而發(fā)生載流子倍增效應(yīng)，造成pn結(jié)邊緣電流集中，功率密度

16、過(guò)大，溫度過(guò)高而燒毀。D.芯片裂紋：芯片裂紋是引起 TVS短路失效的一個(gè)重要內(nèi)在質(zhì)量因素。它可能是由磨片、拋光、噴砂、切片等殘留應(yīng)力以及燒結(jié)后殘留變形等因素引起，也可能是由于溫度變化時(shí)保護(hù)膠和電極系統(tǒng)對(duì)芯片熱不匹配應(yīng)力而引起。E.雜質(zhì)擴(kuò)散不均勻：TVS的芯片通常是在一定電阻率的P型或N型硅片上先進(jìn)行磷擴(kuò)散后進(jìn)行硼擴(kuò)散形成的。如果擴(kuò)散工藝過(guò)程中出現(xiàn)硅片電阻率軸向或徑向不均勻雜 質(zhì)濃度不均勻，使硅片各處擊穿電壓不同，從而使器件擊穿時(shí)芯電流分布不均勻， 多次浪涌沖擊后局部燒毀。2）引起TVS短路失效的使用因素和失效機(jī)理A.過(guò)電應(yīng)力：當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量超過(guò) TV漸能承受能量時(shí)會(huì)引起 TVS器件過(guò)電應(yīng)力損傷， 特別是當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量達(dá)到TVS所能承受能量的數(shù)倍時(shí)就會(huì)直接導(dǎo)致TVS器件過(guò)電應(yīng)力燒毀。過(guò)電應(yīng)力短路失效的TVS芯片在掃描電鏡下觀察可發(fā)現(xiàn)pn結(jié)表面邊緣的熔融區(qū)域或體內(nèi)硅片的上表面和下表面的黑斑；B.高溫：當(dāng)TVS器件工作溫度超過(guò)其最大允許工作溫度時(shí)，短路失效通常發(fā)生在pn結(jié)表面。這是因?yàn)樵诟邷貤l件下工作，表面可動(dòng)離子的數(shù)量大大增加，表面電流也隨之增大，表面功率密度和溫度比體內(nèi)高，使 pn結(jié)邊緣結(jié)溫超過(guò)200度，邊緣局 部區(qū)域晶格遭受致命性的損壞。高擊穿電壓TV