作者： Art Pini

瞬態(tài)電壓尖峰與浪涌對電子電路的影響程度不一，從令人煩惱的輕微故障，到導致電路元件損毀的災難性后果皆有可能。此類瞬變現(xiàn)象的誘因多樣，包括雷電、靜電和感應放電等（圖 1）。

圖 1：瞬變可能由雷電、靜電或感應放電等引起，會對未受保護的電子設備造成嚴重破壞。（圖片來源：Littelfuse Inc.）

像這樣的瞬變能夠產生峰值電壓在數(shù)百伏至數(shù)萬伏不等、電流達千安級別的脈沖，持續(xù)時間從數(shù)百納秒到數(shù)毫秒。

IC 和處理器的小型化以及供電電壓的降低，使得它們對電瞬變現(xiàn)象更為敏感。對于由多個電子系統(tǒng)控制各個環(huán)節(jié)（包括發(fā)動機、轉向、制動、空調和娛樂）的車輛來說尤其如此。

為了保護敏感電路，人們開發(fā)了多種設計策略，包括屏蔽布線、濾波器、消弧和鉗位器件。屏蔽和濾波采用無源設計，而消弧和鉗位保護則采用有源機制。火花隙、氣體放電管和晶閘管等消弧器件將瞬變電流分流至地面以保護電路。當消弧器件處于活動狀態(tài)時，受保護的設備不工作，但一旦瞬變消失，設備就能正常工作。

鉗位器件包括金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)、齊納二極管和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 雪崩二極管，它們通過改變阻抗將受保護設備兩端的電壓保持為恒定。這些技術可以單獨使用，也可以同時使用。TVS 二極管因其響應速度快、功率耗散大的特點而被廣泛用作鉗位器件。

瞬態(tài)電壓抑制二極管

TVS 二極管是一種雪崩二極管，用作鉗位器件，當施加的電壓超過其雪崩擊穿電壓時會分流掉過多的電流，將電壓保持或鉗位在恒定電位。當施加的電壓低于擊穿值時，它就會自動復位。

TVS 二極管可用作單向器件，用于防止單極性的瞬變，也可用作雙向器件，用于防止任一極性的瞬變（圖 2）。雙向器件可以是對稱的，可鉗位幅值相同的任一極性電壓，也可以是不對稱的，可根據(jù)瞬變的極性鉗位到不同的電壓電平。

圖 2：三種 TVS 器件的電流-電壓擊穿特性及其原理圖符號。（圖片來源：Littelfuse Inc.）

單向 TVS 二極管的工作原理與簡單二極管類似，正向偏置時導通，反向偏置時不導通，直到超過二極管的擊穿電壓 (V BR )。當施加的電壓超過 VBR 時，二極管導通，將其兩端的電壓保持在鉗位電壓 (V C )。這種二極管可以耗散的最大功率為峰值脈沖電流 (I PP ) x V C 。

雙向 TVS 二極管相當于背靠背的兩個二極管。在任一方向都未超過擊穿電壓 (V BR ) 時，流過的只是小的反向漏電流 (I R )。這種操作是對稱的，因為兩種偏置條件下的擊穿電壓幅值相同。

非對稱 TVS 二極管的作用類似于雙向器件，但擊穿電壓（V~BR1 ~和 V BR2 ）不同。

非對稱 TVS 二極管

您可能想知道為什么需要非對稱 TVS 二極管。這些元器件設計用于保護碳化硅 (SiC) MOSFET 上的柵極驅動器。由于 SiC 開關速度很快，這些驅動器容易因過壓瞬變而損壞。下面我們來看看用于車載充電的 SiC MOSFET 或牽引逆變器（圖 3）。

圖 3：用于保護 SiC MOSFET 開關柵極驅動器的非對稱 TPSMB1505CA TVS。（圖片來源：Littelfuse Inc.）

非對稱 [Littelfuse] [TPSMB1505CA] TVS 用于保護 MOSFET 的柵極驅動器。該柵極驅動器有兩種狀態(tài)；導通狀態(tài)下柵極電壓在 -5 至 10 V 之間，而關斷狀態(tài)下柵極電壓低于 -10 V。TPSMB1505CA 的額定陰極 (K) 至陽極 (A) 擊穿電壓為 16.7 至 18.5 V，最大鉗位電壓為 24.4 V。此方向上的 Ipp 為 24.6 A，瞬態(tài)脈沖持續(xù)時間為 10 至 1000 ms。

TVS 的 A 至 K 擊穿電壓為 6.8 至 7.4 V，最大鉗位電壓為 11.5 V。此方向上的峰值脈沖電流為 60 A，瞬態(tài)脈沖持續(xù)時間同樣為 10 至 1000 ms。值得注意的是，這僅通過單個元器件即可實現(xiàn)。若使用獨立器件達成這種不對稱工作模式，則需要多個元器件協(xié)同工作。

Littelfuse [TPSMB 非對稱系列 TVS 二極管]（圖 4）包括兩個附加元器件，二者具有不同的 K 至 A 擊穿電壓。[TPSMB1805CA] 提供 20.0 至 21.1 V 的 K 至 A 擊穿電壓范圍，最大鉗位電壓為 29.2 V。額定 Ipp 為 20.6 A，脈沖持續(xù)時間為 10 至 1000 ms。A 至 K 擊穿電壓范圍與 TPSMB1505CA 相同（6.8 至 7.4 V）。

圖 4：TPSMB 非對稱器件采用表面貼裝 DO-214AA 封裝，器件的 K 側用一條刻線來表示。（圖片來源：Littelfuse Inc.）

[TPSMB2005CA]K 至 A 擊穿電壓范圍為 22.2 至 24.5 V，最大鉗位電壓為 32.4 V。在脈沖持續(xù)時間與其他二極管相同的情況下，額定 I~pp ~為 18.6 A。A 至 K 擊穿電壓范圍與 TPSMB1505CA 相同。

所有三款 TVS 二極管的額定峰值脈沖功率均為 600 W，波形持續(xù)時間為 10 至 1000 ms，并且均符合汽車 AEC-Q101 標準。這些器件采用 DO-214AA 表面貼裝封裝，以優(yōu)化電路板空間，并允許將二極管放置在靠近電路觸點的位置，從而實現(xiàn)最佳保護。封裝上的刻線表示為器件的 K 側。

結語

[TPSMB 對稱]和 TPSMB 非對稱 TVS 系列非常適合保護敏感的電子電路，以免雷電和靜電或感應放電引起的電壓瞬變造成破壞。TPSMB 非對稱器件尤其適合保護快速 SiC 開關的柵極驅動器，單個 TVS 元件即可同時保護導通和關斷驅動電平。