使用非對稱 TVS 二極體，為關鍵電路防禦具破壞力的電壓暫態

暫態電壓尖波或突波對電路有相當多的影響，小至最輕微的干擾，大至慘重的災難性後果。這些暫態干擾可能來自雷擊、靜電、電感式放電等 (圖 1)。

圖 1：暫態干擾可能來自雷擊、靜電或電感式放電等來源，會對未受保護的電子元件造成嚴重破壞。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

這種暫態干擾所產生的脈衝，其峰值電壓可能介於幾百到數萬伏特、電流可能達數千安培、持續時間可能介於數百奈秒到微秒不等。

IC 與處理器的微型化以及電源電壓的降低，提高對電氣暫態的靈敏度，尤其是車輛，其各方面都由多種電子系統控制，包括引擎、轉向、煞車、空調和娛樂等各項功能。

現今有幾種設計策略能保護敏感的電路，包括屏蔽式接線、濾波器、橇棍與箝位元件。屏蔽和濾波技術採用被動式設計，而橇棍和箝位保護則採用主動式機制。火花隙、氣體放電管和閘流管等橇棍元件，能將暫態干擾分流至接地端以保護電路。受保護元件在橇棍使用期間無法作用，暫態干擾一消失後即恢復正常。

箝位元件包括金氧變阻器 (MOV)、齊納二極體和暫態電壓抑制 (TVS) 突崩式二極體，這些元件藉由改變阻抗值使受保護的元件維持恆定電壓。這些技術可單獨使用或同時使用。TVS 二極體具有快速回應時間且功率耗散能力高，因此廣泛作為箝位元件使用。

暫態電壓抑制二極體

TVS 二極體是一種作為箝位元件使用的突崩式二極體，當施加的電壓超過突崩式崩潰電壓時，此二極體會分流過多的電流，將電壓維持或箝位在固定的電位。當施加的電壓降至崩潰電壓值以下時，此二極體會自動重置。

TVS 二極體分為單向型與雙向型，前者只防護單一極性的暫態干擾，後者則可防護任一極性的暫態干擾 (圖 2)。雙向元件可以是對稱型，對於任一極性的暫態都會箝位至相同的電壓振幅，也可以是非對稱型，即根據暫態的極性箝位至不同的電壓位準。

圖 2：此圖展示三種 TVS 元件的電流-電壓崩潰特性曲線及其線路圖符號。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

單向 TVS 二極體的運作方式猶如一個簡單的二極體，在順向偏壓時傳導，逆向偏壓時則不傳導，只有超過該二極體的崩潰電壓 (V_BR) 才會傳導。當施加的電壓超過 V_BR，二極體會進行傳導，將電壓維持於箝位電壓 (V_C)。這種二極體的最大可耗散功率等於峰值脈衝電流 (I_PP) x V_C。

雙向 TVS 二極體在運作上則猶如兩個串聯的二極體。逆向漏電流 (V_BR) 會持續少量流動，直到任一方向超過崩潰電壓 (I_R) 為止。運作上具有對稱性，因為任何偏壓條件下的崩潰電壓振幅都相同。

非對稱 TVS 二極體與雙向二極體類似，只是崩潰電壓 (V_BR1 和 V_BR2) 有所不同。

非對稱 TVS 二極體

您可能好奇為何需使用非對稱 TVS 二極體。這種二極體用於保護碳化矽 (SiC) MOSFET 的閘極驅動器。由於 SiC 開關的速度很快，閘極驅動器很容易受到過電壓暫態的破壞。想像一個用於車載充電或牽引逆變器的 SiC MOSFET (圖 3)。

圖 3：此圖中的非對稱 TPSMB1505CA TVS，為 SiC MOSFET 開關的閘極驅動器提供保護。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

Littelfuse 非對稱 TPSMB1505CA TVS 用於保護 MOSFET 的閘極驅動器。這款閘極驅動器有兩個狀態：導通狀態的閘極電壓介於 -5 至 +10 V，斷態則會將閘極電壓驅動至 -10 V 以下。TPSMB1505CA 陰極 (K) 到陽極 (A) 的崩潰電壓額定值介於 16.7 至 18.5 V，最大箝位電壓為 24.4 V。此方向的 I_pp 為 24.6 A，暫態脈衝持續時間介於 10 至 1000 ms。

此 TVS 的 A-K 崩潰電壓介於 6.8 至 7.4 V，最大箝位電壓為 11.5 V。此方向的峰值脈衝電流為 60 A，暫態脈衝持續時間也是 10 至 1000 ms。請注意，這是使用單一元件所得的結果。想讓個別二極體達到這種非對稱操作效果，需使用多個元件。

Littelfuse TPSMB 非對稱系列 TVS 二極體 (圖 4) 多採用兩個元件，其 K-A 崩潰電壓有所不同。TPSMB1805CA K-A 崩潰電壓介於 20.0 至 21.1 V，最大箝位電壓為 29.2 V。I_pp 額定值為 20.6A，脈衝持續時間為 10 到 1000 ms。A-K 崩潰電壓範圍與 TPSMB1505CA 相同，皆為 6.8 至 7.4 V。

圖 4：TPSMB 非對稱二極體採用 DO-214AA 表面黏著型封裝，封裝上刻有標記的是二極體的 K 側。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

TPSMB2005CA K-A 崩潰電壓介於 22.2 至 24.5 V，最大箝位電壓為 32.4 V。I_pp 額定值為 18.6 A，脈衝持續時間與其他二極體皆相同。A-K 崩潰電壓範圍與 TPSMB1505CA 相同。

以上三款 TVS 二極體的峰值脈衝功率額定值皆為 600 W，波形持續時間為 10 到 1000 ms，且均獲得汽車 AEC-Q101 認證。這三者採用 DO-214AA 表面黏著型封裝以換取最大的電路板空間，並使二極體能更靠近電路觸點以達到最佳保護效果。封裝上刻有標記的是二極體的 K 側。

結論

TPSMB 對稱與 TPSMB 非對稱 TVS 系列非常適合用於保護敏感電路，防禦來自雷擊、靜電或電感式放電的電壓暫態。TPSMB 非對稱二極體特別適合保護快速 SiC 開關的閘極驅動器，以單一 TVS 元件同時涵蓋開啟與關閉驅動器等級。