如何在热插拔应用中选择 TVS 二极管

1.前言

我们在工作中，通常会使用瞬态电压抑制 (TVS) 二极管将大浪涌电流钳位到安全电压水平，以保护附近的组件免受损坏。在许多方面，TVS 二极管的行为类似于齐纳二极管，但由于其更大的芯片尺寸和更强的引线键合能力，因此具有更高的额定功率能力。

2.TVS介绍

TVS允许的正向浪涌电流在TA＝250C，T＝10ms条件下，可达50～200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压钳制到预定水平，双向TVS适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。 可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等，是一种理想的保护器件。耐受能力用瓦特(W)表示。 TVS（Transient Voltage Suppression）是一种限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。 TVS管的主要参数有：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。

3.为什么热插拔应用需要 TVS 二极管？

在热插拔应用中，如果出现大的过流故障，那么保护集成电路 (IC) 会迅速切断电流，以保护附近的组件免受损坏。这种电流的快速关断——从 50 A（过流）到 0 A（保护关断）——可以在几十纳秒内发生，并导致大电流瞬变 (di/dt)，如公式 1 所示：

该电流将作为能量被困在输入端的走线或导线电感中。尽管走线电感可能很低，约为 10 nH，但仍会根据公式 2 在热插拔控制器的输入端产生浪涌：

-50V 浪涌将与输入电源串联，并有效地在输入轨上产生一个正电压尖峰，通常会超过热插拔控制器 IC或金属氧化物半导体场效应晶体管的额定电压（ MOSFET) 漏源电压 (V DS )（见图 1）。为防止出现这种电压浪涌，您可以在输入端放置一个 TVS，将电感中的能量直接转移到地。TVS 的最佳放置将在输入上的任何串联电感之后（例如在保险丝之后）。

图 1：热插拔控制器关闭后的感应反冲。在正常操作期间，电感器两端的电压 V L之前为 0 V；快速电流关断后，VL 等于 50 V 并将串联添加到输入电源

4.如何选择 TVS 二极管？

为热插拔应用选择 TVS 二极管的最简单方法是选择满足以下三个标准的二极管：

（1）电压击穿 V BR大于最大电源输入电压。

（2）钳位电压 V C低于热插拔控制器 IC 或 MOSFET V DS的绝对最大额定值。

（3）峰值脉冲电流额定值 I PP高于热插拔控制器将关闭的峰值电流。如果输出短路且热插拔控制器关闭，则此最坏情况值通常是可见的电流。要使用的准确值是实际原型板上的峰值电流测量值，对输出应用实际短路。
（4）在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大钳位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
（5）对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。
（6）根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。
（7）温度考虑。瞬态电压抑制器可以在－55℃～+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃～+175℃，大约线性下降50％雨击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。