使用非对称 TVS 二极管保护关键电路免受破坏性电压瞬变的损害

瞬态电压尖峰与浪涌对电子电路的影响程度不一，从令人烦恼的轻微故障，到导致电路元件损毁的灾难性后果皆有可能。此类瞬变现象的诱因多样，包括雷电、静电和感应放电等（图 1）。

图 1：瞬变可能由雷电、静电或感应放电等引起，会对未受保护的电子设备造成严重破坏。（图片来源：Littelfuse Inc.）

像这样的瞬变能够产生峰值电压在数百伏至数万伏不等、电流达千安级别的脉冲，持续时间从数百纳秒到数毫秒。

IC 和处理器的小型化以及供电电压的降低，使得它们对电瞬变现象更为敏感。对于由多个电子系统控制各个环节（包括发动机、转向、制动、空调和娱乐）的车辆来说尤其如此。

为了保护敏感电路，人们开发了多种设计策略，包括屏蔽布线、滤波器、消弧和钳位器件。屏蔽和滤波采用无源设计，而消弧和钳位保护则采用有源机制。火花隙、气体放电管和晶闸管等消弧器件将瞬变电流分流至地面以保护电路。当消弧器件处于活动状态时，受保护的设备不工作，但一旦瞬变消失，设备就能正常工作。

钳位器件包括金属氧化物压敏电阻 (MOV)、齐纳二极管和瞬态电压抑制 (TVS) 雪崩二极管，它们通过改变阻抗将受保护设备两端的电压保持为恒定。这些技术可以单独使用，也可以同时使用。TVS 二极管因其响应速度快、功率耗散大的特点而被广泛用作钳位器件。

瞬态电压抑制二极管

TVS 二极管是一种雪崩二极管，用作钳位器件，当施加的电压超过其雪崩击穿电压时会分流掉过多的电流，将电压保持或钳位在恒定电位。当施加的电压低于击穿值时，它就会自动复位。

TVS 二极管可用作单向器件，用于防止单极性的瞬变，也可用作双向器件，用于防止任一极性的瞬变（图 2）。双向器件可以是对称的，可钳位幅值相同的任一极性电压，也可以是不对称的，可根据瞬变的极性钳位到不同的电压电平。

图 2：三种 TVS 器件的电流-电压击穿特性及其原理图符号。（图片来源：Littelfuse Inc.）

单向 TVS 二极管的工作原理与简单二极管类似，正向偏置时导通，反向偏置时不导通，直到超过二极管的击穿电压 (V_BR)。当施加的电压超过 V_BR 时，二极管导通，将其两端的电压保持在钳位电压 (V_C)。这种二极管可以耗散的最大功率为峰值脉冲电流 (I_PP) x V_C。

双向 TVS 二极管相当于背靠背的两个二极管。在任一方向都未超过击穿电压 (V_BR) 时，流过的只是小的反向漏电流 (I_R)。这种操作是对称的，因为两种偏置条件下的击穿电压幅值相同。

非对称 TVS 二极管的作用类似于双向器件，但击穿电压（V_BR1 和 V_BR2）不同。

非对称 TVS 二极管

您可能想知道为什么需要非对称 TVS 二极管。这些元器件设计用于保护碳化硅 (SiC) MOSFET 上的栅极驱动器。由于 SiC 开关速度很快，这些驱动器容易因过压瞬变而损坏。下面我们来看看用于车载充电的 SiC MOSFET 或牵引逆变器（图 3）。

图 3：用于保护 SiC MOSFET 开关栅极驱动器的非对称 TPSMB1505CA TVS。（图片来源：Littelfuse Inc.）

非对称 Littelfuse TPSMB1505CA TVS 用于保护 MOSFET 的栅极驱动器。该栅极驱动器有两种状态；导通状态下栅极电压在 -5 至 10 V 之间，而关断状态下栅极电压低于 -10 V。TPSMB1505CA 的额定阴极 (K) 至阳极 (A) 击穿电压为 16.7 至 18.5 V，最大钳位电压为 24.4 V。此方向上的 I_pp 为 24.6 A，瞬态脉冲持续时间为 10 至 1000 ms。

TVS 的 A 至 K 击穿电压为 6.8 至 7.4 V，最大钳位电压为 11.5 V。此方向上的峰值脉冲电流为 60 A，瞬态脉冲持续时间同样为 10 至 1000 ms。值得注意的是，这仅通过单个元器件即可实现。若使用独立器件达成这种不对称工作模式，则需要多个元器件协同工作。

Littelfuse TPSMB 非对称系列 TVS 二极管（图 4）包括两个附加元器件，二者具有不同的 K 至 A 击穿电压。TPSMB1805CA 提供 20.0 至 21.1 V 的 K 至 A 击穿电压范围，最大钳位电压为 29.2 V。额定 I_pp 为 20.6 A，脉冲持续时间为 10 至 1000 ms。A 至 K 击穿电压范围与 TPSMB1505CA 相同（6.8 至 7.4 V）。

图 4：TPSMB 非对称器件采用表面贴装 DO-214AA 封装，器件的 K 侧用一条刻线来表示。（图片来源：Littelfuse Inc.）

TPSMB2005CA K 至 A 击穿电压范围为 22.2 至 24.5 V，最大钳位电压为 32.4 V。在脉冲持续时间与其他二极管相同的情况下，额定 I_pp 为 18.6 A。A 至 K 击穿电压范围与 TPSMB1505CA 相同。

所有三款 TVS 二极管的额定峰值脉冲功率均为 600 W，波形持续时间为 10 至 1000 ms，并且均符合汽车 AEC-Q101 标准。这些器件采用 DO-214AA 表面贴装封装，以优化电路板空间，并允许将二极管放置在靠近电路触点的位置，从而实现最佳保护。封装上的刻线表示为器件的 K 侧。

结语

TPSMB 对称和 TPSMB 非对称 TVS 系列非常适合保护敏感的电子电路，以免雷电和静电或感应放电引起的电压瞬变造成破坏。TPSMB 非对称器件尤其适合保护快速 SiC 开关的栅极驱动器，单个 TVS 元件即可同时保护导通和关断驱动电平。