电子元件-TVS与肖特基二极管

智能硬件

嵌入式领域优质创作者

2023-06-29 15:37:14

一、瞬态抑制二极管

1、工作原理

2、如何区分TVS管单向和双向

1）看型号 2）看规格书 3）用万用表测 4）通过自身标记

3、单/双向使用上的不同点

4、选用TVS的步骤

5、TVS管的应用

1）TVS管与ESD保护管 2）静电放电防护

二、肖特基二极管

1、引言

2、肖特基二极管的主要优缺点

1）反向恢复时间短 2）正向稳态导通压降低 3）缺点 4）总结

3、使用注意事项

4、肖特基管的应用

1）在开关电源中应用

2）反向电压保护

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

一、瞬态抑制二极管

1、工作原理

TVS二极管与常见的稳压二极管的工作原理相似，如果高于标志上的击穿电压，TVS二极管就会导通。与稳压二极管相比，TVS二极管有更高的电流导通能力。TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，以10^(-12)S量级速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，同时吸收高达数千瓦的浪涌功率。使两极间的电压箝位于一个安全值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏。

用于吸收ESD能量、保护系统免受ESD/Surge损害的固态元件。一般用于被保护系统的前级，保护电压略高于被保护系统的额定电压。

-----------------------------------------------------------

2、如何区分TVS管单向和双向

1）看型号

单从型号表面我们就可以判断，虽然不同品牌命名方式不同，但都有规律：

品牌	单向	双向
东沃电子(DOWO)	电压值后不带“C”	带“C”
安森美(ON)	封装除B以外的字母都表示单向	B表示双向
恩智浦(NXP)	倒数第二个字母U表示单向	B表示双向
韦尔(WILL)	B表示双向	其他字母表示单向
芯导(Prisemi)	末尾字母U表示单向	B表示双向

Risym双向TVS瞬态电压抑制二极管P6KE15CA/DO-15，功率600W；P4KE15CA/DO-15，功率400W。

SMAJ后面的参数表示抑制电压，比如SMAJ5.0A就是5V单向瞬态电压抑制二极管，如果是SMAJ5.0CA就是5V双向瞬态电压抑制二极管。

------------------------------

2）看规格书

一般在第一页就有。

------------------------------

3）用万用表测

测量二极管的档位，单向1边通，双向2边都有电压；测直流，双向对称，单向只有反向是雪崩击穿特性，一般1mA电流下测量。

------------------------------

4）通过自身标记

所有TVS管放大后会有根阴极线，它是用来区分二极管正负极，与单双向无关。

-----------------------------------------------------------

3、单/双向使用上的不同点

1）单向用在直流，双向用在交流；

2）TVS管有单向与双向之分，单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联；

3）极间电容Cj，单向的比双向的大。以LRC的为例，单向的电容C有65pF，双向的只有15pF；

4）USB数据线上全部采用双向；

5）电流曲线不同。单向TVS管的电路符号与普通的稳压管相同，其电压-电流特性曲线如下图所示，其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。双向二极管正反向都是典型的PN结雪崩器件。具体的选型还是需要专业工程师指导，经过参数领域分析后针对性选型比较安全。

-----------------------------------------------------------

4、选用TVS的步骤

1）确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应计算出最大值，即有效值的1.414倍。

2）TVS的反向变位电压即工作电压（VRWM）----选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计,如果步骤1所规定的电压高于TVS的VRWM ,TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，从而影响电路的工作。

3）最大峰值脉冲功率：确定电路的干扰脉冲情况,根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间,确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。

4）所选TVS的最大箝位电压（VC）应低于被保护电路所允许的最大承受电压，建议Vbr≥1.2*工作电压。

5）单极性还是双极性----双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那么单向TVS就足够了。TVS操作方式如下：正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里情况就不是这样了。应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。

6）如果知道比较准确的浪涌电流IPP，那么可以利用VC来确定其功率。如果无法确定功率的概范围，一般来说，选择功率大一些比较好。

-----------------------------------------------------------

5、TVS管的应用

1）TVS管与ESD保护管

TVS瞬态电压抑制，电子器件遭受直接或者是间接的雷击，静电放电等因素导致的浪涌，电压从几伏到几千伏不等。ESD静电放电保护就是对器件静电的防护。

TVS二极管和ESD二极管相比较，两者的原理一样，但是根据功率和封装来分就不一样。ESD主要是用来防静电，防静电要求电容值低，一般是在1pF～3.5pF之间最好，但是TVS就做不到这点，因为TVS的电容值比较高。

它们的应用场合也不同，TVS一般用于初级和次级的保护，而ESD主要用于板级的保护，选择TVS时一般看器件的封装还有功率。ESD器件一般看中ESD防护等级和ICE6100-4-2的水平。

------------------------------

2）静电放电防护

防止过压损坏的最佳保护措施是用非线性电路进行限压或钳位，最常用的是专门的二极管(比如TVS管)，当它们在前向偏置或处于齐纳击穿区时具有很低的阻抗。引入限压器可以快速引起某些别的事件，因为通过电容放电会有大的浪涌电流经过限压器。

虽然消除了高瞬态电压，但代之以几个安培的浪涌电流可能会导致系统中出现其它问题。具体取决于随后路径的总阻抗，浪涌电流可以达到几个安培。在为芯片设计I/O单元时，经常看到4A～16A的浪涌电流进入器件。处理如此巨大的瞬态浪涌电流已经成为ESD设计中的大问题。限制电压还算比较容易，但形成的电流可能使系统中其它地方的电路和地发生逆转。

被限压器强制导入地的电流将在系统的那个节点中产生感应性振铃现象。电源通常沿着地线传播，并且是电源去耦电容的函数，因此系统核心仍能正常工作。不过连到电路板上的控制线可能出现混乱，因为它们是相对板外的地而建立的。结果可能在某个位置发生ESD事件，并致使电路板上的某个输入端看起来出现故障。

如上图，通过限压器将大的浪涌电流注入到地引起PCB地的反弹，表现为连接电感的一个函数。

在许多情况下，在TVS器件之前增加一些串联电阻有助于限制电流浪涌，并减少地线反弹。

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

二、肖特基二极管

1、引言

肖特基(Schottky)二极管，又称肖特基势垒二极管(简称SBD)，它属一种低功耗、超高速半导体器件，多用作高频、低压的整流二极管(如图2.4.2)、续流二极管(如图2.4.1)、保护二极管等。但是在使用过程中会发现，其极易损坏。如何避免损坏，也是产品设计过程中必须考虑的问题。

巧记BAT54C、BAT54S、BAT54A：

图2.1.1 BAT54二极管的识读

-----------------------------------------------------------

2、肖特基二极管的主要优缺点

1）反向恢复时间短

反向恢复时间是指二极管由流过正向电流的导通状态切换到不导通状态需要的时间。由于肖特基半导体导通时只有多数载流子，没有少数载流子，所以理论上并没有反向恢复时间，使肖特基二极管成为二极管中速度最快的一类。

------------------------------

2）正向稳态导通压降低

肖特基二极管正向压降非常小，一般为0.2~0.45V，比快恢复二极管正向压降低很多，所以自身功耗较小。

------------------------------

3）缺点

最主要缺点是反向漏电流大，其依赖于反向电压和结点温度，漏电流随温度和反向电压的增加而增加。反向漏电流随温度指数增加，最大漏电流与生产工艺有关。反向漏电流小的BAT54HT1：

图2.1.2 BAT54HT1电气参数

反向漏电流与温度密切相关：

图2.1.3 BAT54HT1温度特性

举例说明：

一个双控电源的项目，用到双肖特基BAT54C，在PWR_EN2为低的情况下，系统运行一段时间后，突然掉电。查了半天发现A点电压只有0.5V不到，无法让Q43导通。

图2.1.4 BAT54C的使用

分析后发现BAT54C反向导通把A点电位拉低了，查看规格书漏电IR很低(2uA)，最后更换为1N4148解决。

事实上，反向漏电流跟温度关系密切，BAT54C在温度四五十度的时候，漏电流就很可观了，在于工作电流相差不大的情况下，导致“反向导通”的假象。

------------------------------

4）总结

SIC二极管的开关速度几乎为零，等于是没有反向恢复时间，开关辐射最小，并且损耗也最小，缺点就是价格昂贵。

-----------------------------------------------------------

3、使用注意事项

1）肖特基的实际工作电流要小于肖特基的正向额定电流，且不能超过额定电流的60%；

2）肖特基的最高工作电压要小于肖特基的最高反击穿电压，且不能超过额定电压的70%；但肖特基的耐压也不能选择太高，因为VF值会随耐压增加而增加，从而功耗和成本都会相应增加；

3）肖特基的实际工作温升值，要小于肖特基的最高结温，并留有余量，保证其工作的稳定性；

4）不同型号的肖特基，正向压降所规定的IF(AV)也不一样，需要注意，IF(AV)测试温度各厂家有不同的测试标准。

5）肖特基不建议并联使用

由半导体物理理论可以导出，在静态条件下，二极管的电流与电压的非线性关系为：

式中I为二极管电流，IS为二极管反向饱和电流，IS一般取8~10uA，IS随温度升高而增大，V是作用于二极管两端的电压，VT为PN结的温度电压当量，在室温条件下VT=26mV。

假设一般肖特基二极管导通压降为0.4V，并联二极管由于制造工艺和其他因素，造成正向导通压降存在0.1%的误差，则两只肖特基二极管正向导通压降分别为0.4V和0.401V，此时假设IS仅为2uA，则由(1)式得出：

由计算结果可知，肖特基二极管并联无法实现均流，考虑到肖特基二极管最主要缺点是反向漏电流，漏电流随温度和反向电压的增加而增加，IS会指数级增大。同时由于肖特基二极管的负温度系数会导致正反馈，最终会使一个肖特基重载，一个肖特基轻载。若设计不合理，会导致重载的肖特基温度过高，从而容易引发系统失效。

备注：所谓的不建议肖特基并联使用是指在单个肖特基不能满足系统需要的情况下，不能使用两个同种规格的肖特基并联，若系统在仅仅使用一个肖特基时就已经满足需要，此时再并联一个同样规格的肖特基效果自然更好。

比如，输入12V/输出5V/2.4A时，使用一个SMA封装的SS54不能满足要求(封装太小、温度太高、长时间工作容易失效，规格书)；使用两个SMA封装的SS54并联，就可能会出现上述不良情况。这种情况下，使用一个SMC封装的SS54的可以满足要求。而对于使用一个SMC的SS54已经能够满足要求的条件下，若再并联一个SMC封装的SS54，效果肯定优于一个SMC封装的SS54。

-----------------------------------------------------------

4、肖特基管的应用

1）在开关电源中应用

①导通压降低。电源电流一般比较大，导通压降低意味着损失的功耗低。

②响应时间短。开关电源通过开关管切换，速度多在40～100KHz，故肖特基二极管响应时间应越快越好。