比較TVS單顆與兩顆並聯的箝位電壓表現(一)基本PN結構TVS

在靜電測試條件較嚴格或受保護的IC較不耐受時，單顆TVS二極體可能無法提供足夠的保護。因此，客戶有時會在單一電路介面上使用多顆TVS元件，以確保最佳保護效果。研究不同類型TVS元件並聯使用時對整體效能的影響是非常重要的，本文將以Semtech的TVS為例，探討其Diode、EPD和SCR三種常見製程的表現，本次先討論，基本PN結構TVS。

TVS 二極體（瞬間電壓抑制二極體）

1. 基本PN結構TVS

TVS二極體是一種專門用來保護電子電路，避免瞬間過電壓損害的元件。其主要功能是吸收高能量瞬間電壓並導向接地，保護敏感元件免受靜電放電（ESD）或電源突波（Surge）的損害。

PN接面作用：

TVS二極體的基本結構是基於PN接面。當P型半導體與N型半導體結合時，會形成一個PN接面。這個接面具備整流作用，允許電流在一個方向流通，並阻止電流在相反方向流動。
在TVS二極體中，PN接面的主要作用是實現過電壓箝位保護。當瞬間電壓使PN接面反向偏壓時，TVS二極體會開始導通，吸收過電壓的能量並導向接地（GND），將瞬間電壓限制在安全範圍內，同時將多餘的能量轉化為熱能散發出去，從而保護電路中的敏感元件。

特性：

1. 功率處理能力與晶片面積成正比：
• TVS 二極體的功率處理能力與它的半導體晶片面積成正比。較大的晶片面積可以在瞬間電壓事件時吸收更多的能量。
2. 寄生電容與晶片面積成正比：
• TVS 二極體的寄生電容會隨著晶片面積的增加而增加。在某些電路中，電容可能會影響性能，尤其是在高速數據線路中。
3. 電容通常與 VRWM（最大反向工作電壓）成反比：
• 當最大反向工作電壓（即 TVS 二極體能持續承受且不導通的最高電壓）增加時，電容通常會降低。在高頻應用中，這個特性很重要，因為低電容可以維持信號的完整性。
4. 箝位電壓與晶片面積成反比：
• 箝位電壓（TVS 二極體在瞬間突波事件時開始導通的電壓）隨著晶片面積的增大而降低。較低的箝位電壓可以為敏感元件提供更好的保護。

優點：

1. 沒有閂鎖效應：
• TVS 二極體不會發生閂鎖效應（指元件進入一個不希望的狀態，並在電源重啟之前無法恢復）。這讓它在突波保護應用中比其他元件更可靠。
2. 不會隨使用衰退：
• TVS 二極體不會因為正常使用而退化。不同於某些元件在經歷多次瞬間突波後會衰退，TVS 二極體在正確的操作條件下可以保持良好性能。
3. 與其他技術（如 MLV、GDT 等）相比，具有優異的箝位性能：
• 與其他瞬間電壓抑制技術（例如 MLV 多層壓敏電阻和 GDT 氣體放電管）相比，TVS 二極體能更有效地限制瞬間電壓，在保護敏感電子元件方面有更好的表現。

缺點：

1. 突波承受能力受限於晶片尺寸：
• TVS 二極體在突波事件中能承受的能量受晶片尺寸的限制。對於非常高能量的突波，晶片可能不足以安全地散熱，可能會導致元件損壞。
2. 在較低電壓時電容會增加：
• 當反向工作電壓較低時，TVS 二極體的電容會增大。在高速或高頻應用中，這可能會影響電路性能，因為低電容對於維持信號完整性非常重要。

總結：

TVS 二極體在瞬間電壓保護方面具有優異的性能，且不會隨使用衰減。然而，它的電容和突波承受能力與晶片的尺寸息息相關，因此在設計中需要考量這些因素。

下圖為基本 PN 結構 TVS單顆與兩顆並聯測試，測試條件依據 IEC61000-4-2 標準，使用 8KV 接觸放電的 Clamping voltage。可以觀察到，無論是 1ns 峰值的 clamping voltage 還是 30ns 的 clamping voltage，都有顯著差異。

下圖為基本 PN 結構 TVS單顆與兩顆並聯測試，測試條件為 TLP (Transmission Line Pulse) 的 Clamping voltage。從測試結果可以清楚看到顯著的差異。

測試板TVS擺設方式與各元件的是離距離

FAQ

1.問：在選擇單向和雙向TVS保護元件之間，您應該如何做出決定呢？

單雙向TVS皆可保護正負的突波，主要為取決於訊號是否有正負的工作電壓，若有正負工作電壓的環境就需要使用雙向TVS，一般直流電或是只有正壓的訊號線可以使用單向或是雙向TVS皆可。

2.問：為什麼挑選靜電放電（ESD）保護元件的電容值重要？
TVS的半導體接合面會有寄生電容產生，若為DC直流環境，此電容影響是非常小的，但是應用於高速訊號線時，訊號在變化中電容會影響訊號的上升及下降波形，當波形變化太大對於接受端就會無法判別準位，因此需要選擇寄生電容小的TVS。

3.問：是否可以將多個靜電保護元件並聯或串連以提供更好的保護效果？

將多個靜電保護元件並聯使用（並聯保護）可以提供更好的保護效果。這是因為並聯保護會將靜電放電能量分散到多個保護元件，從而降低每個元件上的電壓，提高整體保護效率。相比之下，將多個靜電保護元件串聯使用（串聯保護）會增加串聯電阻並提高箝位電壓。這樣做可能會導致過多的電流落在被保護的元件上，從而降低了其保護能力，反而可能對敏感元件造成損害。

4.問：選擇保護元件時如何選TVS的工作電壓？

「Reverse Stand-Off Voltage」是指TVS（Transient Voltage Suppressor）保護元件的反向截止電壓。這是保護元件在正常工作狀態下可以承受的最大反向電壓，也就是它的反向偏壓。當電路中的反向電壓低於這個值時，保護元件不會導通，不會影響電路的正常運作。這個參數在選擇TVS保護元件時非常重要，特別是在應對過壓保護的情況下。選擇的反向耐壓電壓必須高於電路中可能出現的最大反向電壓，同時又不能太高，以避免影響正常操作。

例如，如果您的電路最大的反向電壓是12伏特，您可以選擇一個反向耐壓電壓稍高於12伏特的TVS保護元件。這樣，當出現一些小的反向過壓時，保護元件不會導通。然而，當出現超過12伏特的反向過壓時，保護元件會迅速導通，將多餘的電壓引導到地，防止過電壓對電路造成損害。總之，理解並選擇適當的TVS保護元件的反向耐壓電壓是確保電路在遭受反向過壓時能夠得到適當保護的重要一環。

5.問：如何選擇適合的靜電保護元件？

選擇適合的靜電保護元件需要考慮多個因素，以確保它能夠有效地保護您的電路免受靜電放電和過電壓的影響。以下是選擇靜電保護元件的一些建議步驟：

1. 了解應用需求：首先，確定您的應用的需求。考慮您需要保護的工作環境，例如溼度的高低，使用的頻繁度等，都與需要保護的等級有關係。
2. 確定保護位置：確定保護元件應該放置在電路中的哪個位置。通常情況下，保護元件應該位於電路接口處、輸入/輸出端口，以及敏感元件周圍。
3. 選擇元件類型：靜電保護元件有多種類型，包括TVS二極管、Varistor、Gas Discharge Tube等。根據您的應用需求，選擇最適合的元件類型。
4. 工作電壓範圍：根據您的應用的最大操作電壓，選擇具有適當工作電壓範圍的保護元件。
5. 過電壓保護等級：選擇一個適當的過電壓保護等級，即保護元件導通時的電壓。這應該在不影響電路性能的情況下提供足夠的保護。
6. 最大耐電流：確保保護元件可以承受可能的瞬態過電流。
7. 反應速度： 不同的保護元件對過電壓的應對速度可能不同。根據您的應用，選擇適合的應對速度。