中心議題：
- TVS應用的三大特點及注意事項
- TVS的典型應用電路介紹
- TVS在熱插拔電路中的應用實例
- TVS在汽車電源線保護中的應用
- TVS應用效能最佳化措施
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瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點。目前已廣泛應用于計算機系統(tǒng)、通訊設備、交/直流電源、汽車、家用電器、儀器儀表等各個領域。本文將結合TVS應用的特點及使用注意事項，介紹TVS的幾種典型應用電路，并通過TVS在熱插拔電路保護和汽車電源線保護中應用的實例，來詳細探討如何正確應用TVS和使TVS的應用效能最佳。
在實際的應用電路中，處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時電流從敏感器件引開。為達到這一目的，將TVS在線路板上與被保護線路并聯(lián)。這樣，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TNS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路，其結果是瞬時電流通過TVS被引開，從而避開被保護器件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。在此之后，當瞬時脈沖結束以后，TVS二極管再自動恢復至高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓狀態(tài)。
1 TVS應用的三大特點
1）將TVS二極管加在信號及電源線上，能防止微處理器或單片機因瞬間的脈沖，如靜電放電效應、交流電源之浪涌及開關電源的噪音所導致的失靈。
2）靜電放電效應能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms；而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時，便會導至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關所引起的干擾（Crosstalk）。
3）將TVS二極管放置在信號線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。
2 TVS管在使用中應注意的事項
對瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關系。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值)，而實際線路中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計。對寬脈沖應降額使用。
對小電流負載的保護，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。
對重復出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。
3 TVS的典型應用電路
3.1 TVS在交流電路中的應用
圖1所示是一個雙向TVS在交流電路中的應用電路。應用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護整流橋及負載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應不大于電路的最大允許電壓。
圖1 雙向TVS在交流電路中的應用電路
3.2 用TVS保護直流穩(wěn)壓電源
圖2是一個直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS，可以保護使用該電源的儀器設備，同時還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護晶體管。建議在每個穩(wěn)壓源的輸出端增加一個TVS管，這樣可以大幅度地提高整機的可靠性。
圖2 TVS保護直流穩(wěn)壓電源
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3.3 用TVS保護晶體管電路
各種瞬變電壓能使晶體管的EB結或CE結擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性(線圈、變壓器、電動機)負載時，通常會產(chǎn)生高壓反電勢，因而可能使晶體管損壞。在實際應用中，建議采用TVS作為保護器件。圖3所示為TVS保護晶體管的四種電路實例。
圖3 TVS保護晶體管電路
3.4 用TVS保護集成運放
集成運放對外界電應力非常敏感。因此，在使用運放的過程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會出現(xiàn)過大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運放受損或失效。圖4所示是用TVS在運放差模輸入端防止過壓損傷的保護電路。
圖4 TVS在運放差模輸入端防止過壓損傷的保護電路
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4 TVS的應用實例
4.1 TVS用于熱插拔電路保護
在熱插拔應用中，TVS主要用作需要被中斷的差模電流的接地分流路徑。熱插拔系統(tǒng)常被用在分布式電源系統(tǒng)中提供可靠的系統(tǒng)保護和電氣管理，典型服務器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖如圖5所示。
圖5 典型服務器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖
從本質(zhì)上講，當檢測到故障和電流中斷期間的電流轉換率可能達到100A/μs或以上時，圖5中的通路MOSFET Q1將迅速被熱插拔控制器關閉。不過，輸入功率路徑的電源軌總線結構難免出現(xiàn)寄生電感（與電源母線的長度和固有環(huán)路面積有關）。儲存在該電感的能量將轉移到電路中的其他元件，以致產(chǎn)生過壓動態(tài)行為。為了防止下游元件被損壞，在分流保護配置中從VIN至GND處連接了響應速度快的單向TVS（瞬態(tài)電壓抑制）硅二極管，如圖5所示。
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應用于熱插拔電路中的TVS選擇可按照以下步驟進行：
1）用切斷電壓VR選擇單向TVS，該電壓等于或大于直流或連續(xù)峰值工作母線電壓水平。14V或15V TVS適合低阻抗12VDC±10％的服務器系統(tǒng)輸入總線。
2）根據(jù)熱插拔控制器斷路器閾值電壓、響應時間和所選分流電阻器來確定峰值脈沖電流水平IP。
3）利用公式
（式中，VC：鉗位電壓；IP：峰值脈沖電流；VC(max)：最大鉗位電壓；VBR：擊穿電壓；IPP：采用10/1000 ms波形的VC(max)條件下的最大峰值脈沖電流。）由第2步和相關數(shù)據(jù)表參數(shù)給定的IP水平來計算電路鉗位電壓VC。VC是否足夠低？如果不是，另一種方法是使用一個較大的TVS，以獲得較陡峭的下降。請注意，VC的電壓溫度系數(shù)與VBR類似（例如在75℃的工作環(huán)境條件下，0.1%/℃意味著該系數(shù)增加了5％）。
4）計算出VC和IP的乘積，以獲得由TVS維持的實際峰值功率水平。
5）利用公式
（式中，L為電路中的寄生電感）和已知的輸入寄生電感來確定三角脈沖波形的脈沖持續(xù)時間td（即衰減到零的時間）。
6）使用類似圖6（a）曲線的第5步脈沖持續(xù)時間降額PPP。如前所述，三角脈沖電流波形可以實現(xiàn)比雙指數(shù)參考波形曲線高33％的脈沖功率。
7）使用類似圖6（b）曲線的環(huán)境溫度降額PPP。同時應該考慮相鄰元件的相互熱效應。
8）第7步的凈降額PPP是否實現(xiàn)了由第4步計算的實際TVS峰值功率的足夠設計余量（至少50％）？如果沒有，選擇一個較大的TVS并重復1-8步驟。
圖6 （a）峰值脈沖功率與脈沖持續(xù)時間，(b)熱降額特性
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4.2 TVS用于汽車電源線的初級保護和次級保護
電子控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng)等汽車電子設備連接在一根電源線上，如圖7所示。這些電子產(chǎn)品的電源是電池和交流發(fā)電機，這兩種電源的輸出電壓都不穩(wěn)定，容易受溫度、工作狀態(tài)和其他條件影響。此外，使用燃油噴射系統(tǒng)、閥、電機、電氣和水解控制器等電磁線圈負載的汽車系統(tǒng)，會把ESD、尖峰噪聲和其他類型的瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號線上。因此，汽車設計中必須保護電子設備(例如控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng))免受電源線上出現(xiàn)的有害浪涌電壓、瞬態(tài)電壓、ESD和噪聲的損害。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是汽車電子保護的理想方案，下面主要介紹TVS在汽車電源線中的初級保護和次級保護應用。
圖7 典型的汽車電源線
4.2.1 汽車電源線初級保護(甩負荷)
用于汽車電子初級保護的甩負荷TVS有兩類：外延型和非外延型。在反偏模式下，這兩組產(chǎn)品具有相似的擊穿工作特性。不同之處在于，外延型TVS在正向模式下具有低正向壓降(VF)特性，非外延型TVS在相同條件下VF相對較高。
在反向電源輸入模式中，電源線電壓與TVS VF的電壓相同，這種反偏模式會引起電子線路故障，外延型TVS的低正向壓降能夠很好地解決這個問題，如圖8所示。
圖8 TVS用于汽車電源線初級保護
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4.2.2 汽車電源線的次級保護
汽車系統(tǒng)中保護電路的初級對象是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此，在24V動力總成中的次級保護特別重要，比如卡車和貨車中的動力總成。其主要原因是因為大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉換器IC的最大輸入電壓是45V~60V。對于此類應用，建議使用圖9中的次級保護。在電源線上增加電阻R可以減小瞬態(tài)電流，這樣就可以使用更小額定功率的TVS作為次級保護。
圖9 次級保護
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5 TVS二極管效能最佳化
如何使TVS在電路中應用的效能最佳？印制電路板的布線及電路元件的選擇很重要，通過合理放置TVS的位置、接地選擇、寄生電感和回路區(qū)的處理，以及突崩式TVS與二極管陣列、單向與雙向突崩式TVS二極管、外部與內(nèi)部晶片保護電路的比較，科學合理地進行PCB的布線和TVS元件的選擇，使TVS的效能最佳化。
詳細閱讀：TVS二極管效能最佳化
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6 結語
本文詳細介紹了TVS的應用特點、典型應用及應用實例，并從印制電路板的布線和TVS元件的選擇兩個方面探討了如何使TVS的效能最佳化的措施，對電路保護設計工程師合理高效應用TVS進行電路保護設計非常有參考價值。
