稳压二极管和TVS管

一，稳压二极管

在二极管的世界中，大部分二极管们都以：正向导通电流大、反向截止电压大为荣；好比在武侠世界中，大部分武术从业者都追求：内力深厚，武技精湛（阿七：集中精神，以气驭剪）。但总有一部分人，另辟蹊径，既不追求内力有多深，也不奢望自己武技多厉害，他们只喜欢那挥刀瞬间的快感，不错，那就是“葵花宝典”，他们身残志坚，只追求一个字：“快”，如果还有更高的追求，那就是：“更快”，快到可以让时间逆流，不错，“无极”才是他们的终极目标。

稳压二极管和TVS管（瞬态抑制二极管）是二极管中的另类，它们追求的既不是正向的强大，也不是反向的耐造，而是“反向击穿”时的快感；来吧，击穿一次不够，那就来一次（TVS），两次不够，就一直让我击穿（稳压管）。这种反其道而行之的特殊能力，让他们在电路世界中大受欢迎，成为了名副其实的“肉盾”。

过反向击穿分为两种：齐纳击穿和雪崩击穿；齐纳击穿是指：在重掺杂PN结内，反偏条件下PN结两侧的导带和价带离得非常近，以至于电子可以由P区的价带直接隧穿到N区的导带；稳压二极管工作在齐纳击穿状态，所以又称之为：齐纳二极管。

稳压二极管有如下两个重要特点：

1. 二极管结构上：PN的掺杂浓度要高，这样空间电荷区很小，同时电场强度很大，才能发生隧穿；

2. V-I特性上：齐纳击穿时反向电压不随电流变化而变化，达到稳压的目的。

1，稳压二极管的特性和参数

稳压二极管最重要的特性，当然就是保持电路电压的稳定；但是如何正确的使用稳压二极管，起到我们所期望的作用呢？或者在哪些应用场合，我们不可以用稳压二极管的？那我们就从理解下面这些特性开始：

1. 正向偏置状态下，同普通二极管特性一样：正向导通，随正向偏压的提高，正向电流变化很大；

稳压二极管正向通流能力一般不会太大，如果在实际应用中有正向导通的场景，需要分析其正向导通特性的参数，避免出现过流损坏等情况。

2. 反向偏置状态下，当反向电压没达到VBR之前，稳压二极管基本没导通；当接近VBR值时开始导通，产生IR电流；

一般情况下，稳压二极管的正常工作电压不应该落在该区间，没起到稳压的作用。

3. 当反向偏置增加，对应的反向偏压就是齐纳击穿电压；为了使二极管保持在稳定状态，必须维持最小的反向电流Iz(min)；

这是稳压二极管的工作区间，同时根据I-V曲线，可以看到正常工作有最小反向电流的要求，如果反向电流过小，那么对应的反向电压也会随之变小，不在稳压范围之内。

4. 当反向电流高于曲线拐点处的电流Iz(max)时，电压出现剧烈变化，二极管被物理性损坏，此时就是雪崩击穿电压；

随着稳压电流的增大，稳压二极管会从齐纳击穿变为雪崩击穿，造成器件损坏。

5. 保持稳压二极管的反向电流在Iz(min)~ Iz(max)之间，二极管的两端电压就能保持近似恒定。

稳压电流就算在要求范围之内，也并非是固定不变的，是有变化范围的，取决于不同稳压二极管个体的差异。

从上述的特性可以看到，稳压二极管的应用主要取决于它的参数，我们要正确、有效的运用稳压二极管，必须仔细分析其相关参数，并相应做好硬件设计：

1. 稳定电压Vz： 指稳压二极管通过额定电流时两端产生的稳定电压值，该值随工作电流和温度的变化而改变；例如，BZV55-C16的Vz（min）为15.3V, Vz（max）为17.1V；

稳压二极管的稳压范围，相对电源芯片来说还是比较大的，而且随着电流、温度以及稳压二极管个体的变化而变化；所以，是否能够将它作为基准电压，要看实际应用需求和具体稳压二极管的参数。

2. 额定电流Iz： 指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值；低于此值时稳压效果会变差，高于此值时，只要不超过额定功率损耗，稳压性能会更好一些，但需要多消耗电能；

如上特性中所述，不是随便在电路上加上一个稳压二极管就能起到稳压效果，其反向电流：Iz满足一定的条件才行；所以在稳压二极管和电源之间串一个合适的电阻，是一个不错的选择。

3. 动态电阻Rz：也称“齐纳阻抗”，指稳压管两端电压变化与电流变化的比值；一般工作电流愈大，动态电阻则愈小；例如，2CW7C工作电流=5mA时Rz=18Ω，工作电流=20mA时，Rz=2Ω ；

电路中所需的稳压电压需要计算动态电阻与外部电阻的分压。

4. 额定功耗Pz：由芯片允许的温升决定，数值为稳定电压Vz和最大电流Izm的乘积；例如，2CW51稳压管的Vz=3V，Izm=20mA，则该管Pz = 60mW；

额定功耗决定了稳压二极管的最大不被损坏的热耗，需根据电路最大电应力来计算。

5. 反向漏电流IR：指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流；例如，2CW58稳压管的VR=1V时，IR=0.1uA;在VR=6V时，IR=10uA。

6. 温度系数α：指稳压管稳定温度变化1℃引起两端电压的相对变化（﹪/℃）。

这个参数常常被忽略，在PN结章节我们分析过，由于少子的浓度与温度有很大的关系（每上升10℃，反向漏电流增加4倍），所以稳压二极管温度的变化会造成两端电压变化，如果对稳压电压有较高的要求，那么必须分析单板最大环境应力并对照温度系数，进行计算。

2，稳压二极管的应用

稳压二极管主要有如下两方面的应用：

1. 在稳压电源中作为基准电压源，类似TL431；

2. 在过电压保护电路中作为保护二极管；

稳压二极管具体在不同电路中的应用比较广泛，举例如下：

1. 简易稳压电路：利用二极管稳压特性，实现小电流输出稳压；

2. 改进型稳压电路：利用二极管稳压特性，实现较大电流输出稳压；

3. ESD保护电路：利用二极管的反向偏置特性，防止LED静电损坏；

4. 过压保护电路：利用二极管导通特性，触发可控硅SCR对输入电压端进行限制；

5. 信号幅度钳位：利用二极管对input信号的幅度大小进行限制。

二，TVS管

TVS二极管主要工作在雪崩击穿区，我们先来回顾下雪崩定义：由于电场作用，当电子穿越空间电荷区时能量会增加，当增加到一定程度并与耗尽区原子内的电子发生碰撞时，便会产生新的自由电子-空穴对，于是发生了雪崩效应。雪崩效应必须要有足够大的空间电荷区距离，所以与稳压二极管相反，PN区的掺杂浓度要低。

TVS管全称：瞬态抑制二极管；它是一种高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（ps级）和相当高的浪涌吸收能力。所以TVS管的主要作用是：以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

不错，TVS管是保护后端电路的器件，而且它能够吸收非常大的瞬态能量，主要用于静电以及浪涌的防护上。当然，下方的示意图只是一个理想的防护效果，实际上抑制电压不会是一条水平线，会随浪涌电流的大小而变化。

1，TVS管的基本参数

TVS二极管与稳压二极管相似的地方是：两者都起作用在击穿区；不同是：稳压二极管工作在齐纳击穿区，而TVS管工作在雪崩击穿区。所以它们都关注反向击穿的参数，但反向击穿参数的性质完全不同。

TVS管正常工作状态时并不会触发雪崩击穿，也不会齐纳击穿，而是处于反向截止区。

老子不出手则已，一出手就是大招；所以不要看TVS管放在那里好像没啥鸟用，关键时刻它会用自己的性命来保卫大家的安全。

接下来我们分析TVS的主要参数：

1. 最小击穿电压VBR：TVS最小的击穿电压，流过规定电流1mA（IT）时的电压，在25℃时，低于VBR电压时不会发生雪崩；

VBR参数为触发浪涌泄放的最小电压，浪涌钳位电压可以从VBR开始计算。

2. 击穿电流IT：一般规定反向电流为1mA为击穿电流；

3. 额定反向工作电压VRWM：在正常状态时可承受的最大电压，电路的工作电压需要小于该电压；

4. 最大反向漏电流IR：二极管反向截止时最大漏电流，对应VRWM电压点的电流，截止状态流过它的电流应小于或等于IR；

VRWM参数由TVS管在电路中正常信号的最大工作电压决定，而反向截止漏电流在电路正常工作时会一直存在，如果产品特别关注低功耗设计，则需要关注。

5. 最大钳位电压VC： 当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压；VC不能大于被保护电路可承受的最大电压，否则被保护器件可能被损坏；

6. 最大峰值脉冲电流IPP：TVS瞬间吸收电流的最大能力，反映了TVS管的浪涌抑制能力；

Vc和Ipp决定了TVS管最大泄放浪涌的能力：E=Vc*Ipp*t。

7. 最大反向脉冲电流Ippm：在规定脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值浪涌电流；

8. 最大反向钳位电压Vppm：在Ippm条件下最大反向钳制电压（Vc）；

如下右图为器件允许10uS/100us下最大浪涌能量，这种特殊波形与EMC认证要求相关。

9. 额定脉冲功率Pppm：最大钳位电压和最大反向峰值脉冲电流的乘积；

10. 最大峰值脉冲功耗PM：TVS所能承受的最大峰值脉冲功耗值；在特定VC下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在特定的功耗PM下，钳位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大；如果电路内出现重覆性脉冲，应考虑脉冲功率的累积效应;

TVS管过温损坏与器件正常工作温度以及器件功耗相关，一旦超过器件所能承受的最大温度，TVS管将会被烧坏，需仔细评估多种因素，尽量保证TVS管在正常工作范围内不被损坏。

11. 电容量C：由TVS雪崩结截面决定，在1MHz频率下测得， C的大小与TVS的电流承受能力成正比；C会增加线路上寄生电容，从而影响电路上信号质量，需根据电路信号特性来选择TVS管C的范围；

TVS管正常工作在反向截止区，所以该电容主要是势垒电容，高速信号链路上挂TVS管需特别关注。

12. 双向TVS管的V-I特性，如同单向TVS管“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和钳位特性。

2，TVS管应用场景

TVS管用于对电路元件进行ESD和浪涌防护；主要涉及的防护电路是：外部输入电源、对外通信接口以及设备面板上可触碰到的开关、按键、指示灯等。那为什么这些地方需要加TVS管防护呢？

1. 首先，外部输入电源：本身电网传输存在不稳定和被干扰的情况，而且在启机和关断的瞬间也会存在较大浪涌电流；

2. 其次，对外通信接口：线缆方式从外部接入设备的，室内布线若靠近电网从而导致耦合干扰，室外走线可能会受到雷击等影响；

3. 最后，面板按键、开关：主要防护可能被人体接触导致的静电。

所以，我们看到每个接口的浪涌防护等级是不一样的，电源接口需防护浪涌能量最大，对外通信接口室外走线防护要大于室内走线的浪涌防护，静电电压最高但是需防护的能量却是最小。

TVS管最主要的优点有：体积小、功率大（400W～30KW）、响应快（ps）、无噪声、防护电压范围大（6.8V～550V）；下面我们看下具体应用：

1. 电源输入接口（浪涌）：交直流电源接口；根据对电源口的防护等级要求，放置合适防护等级TVS，气体放电管，压敏电阻等；

2. 通信接口（浪涌）：RS232，RS485/CAN，100/1000M网口等；根据防护等级要求不同（室内/户外，CE/FCC/3C等），以及信号速率，放置合适防护等级TVS管；

3. 面板信号接口（ESD防护二极管）：复位按键，板内连接器，Alarm/Control接口等；对ESD防护要求不高且信号影响不大的接口，可以用高耐压pf级别陶瓷电容替代；

3，TVS管与其它防护器件的比较

3.1 TVS和稳压二极管的比较

在讲TVS管基本参数时已说了一部分与稳压二极管差别，主要它们工作的区域不一样，所以二极管本身设计的侧重点也不同（齐纳击穿区和雪崩击穿区），如下详细列出它们之间的比较：

1. 两者都是利用它们的反向工作特性，反向接入电路工作；

从原理设计上看，两种二极管都是反向接在电路上的：高电平接N，低电平接P。

2. TVS管工作在雪崩击穿区，具有更高的浪涌防护能力（功率大，瞬时工作）；稳压二极管工作在齐纳击穿区，反向工作电流在mA级别（功率小，长期工作）；

稳压二极管正常工作状态在：齐纳击穿区，TVS管正常工作状态在：反向截止区。

3. TVS管要求有更快的响应速度（ps级别），而稳压二极管一般不关注响应时间；

由于TVS正常工作在反向截止区，所以一旦过压就必须尽快泄放掉浪涌电流；稳压二极管一般电路上电时就会自然过渡到齐纳击穿区，后续一直工作在这个状态，一般不需要瞬态响应。

4. 稳压二极管的反向钳位电压精度高，TVS管反向钳位电压范围更大；

5. TVS管主要用于ESD和浪涌防护，防止瞬时大能量导致器件损坏；稳压二极管主要用于保证后级电路的信号电平幅度。

3.2 TVS和空气放电管、压敏电阻、TSS管的比较

我们首先用直观的图表形式来比较，看这几个器件的差别。

那为什么他们会有这些不同的特性呢？主要取决于不同器件的V-I电特性、材料以及器件结构。如下为TVS管，压敏电阻，空气放电管和TSS管的V-I特性图。