TVS选型-单向或双向-转自David

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工程师在选择TVS时为了避免方向性问题而选择使用双向TVS，但在未确认被保护信号为单向或是双向前即选择使用双向TVS，可能会让保护效果打折扣，后续将描述单向与双向信号的差异，进一步说明这些使用单向或双向TVS会得到较好的ESD抑制效果。

一般信号可分成为单向或双向，单向信号或电源是指此信号线只会出现正电压或只会出现负电压，这种单极性应用的称为单向 (uni-direction) 信号，图1(a)、图1(b) 所示。双向 (bi-direction) 信号，讯号电压同时含有正电压与负电压存在，图1(c) 所示。

由于需要加TVS保护的信号可能是单向或双向，因此选用TVS时需特别注意信号之准位是否含有正负电压成分存在。当信号为单向则需选择单向TVS会得到较好的ESD抑制效果，单向TVS符号请参考图2(a)。需要注意此信号的电压准位不能高于TVS的崩溃电压 (VBR)，当信号准位高于崩溃电压时，会造成正常工作下触发TVS导通情况，故选择TVS时需先评估信号电压准位与TVS 的直流参数做比较。单向讯号若为正电压且搭配使用单向TVS时为例，单向讯号不会有负电压而造成器件正向导通，单向TVS直流I-V曲线请参考图1(a)。

被保护之信号为双向，电压同时存在正负电压准位，则需选择双向TVS，以避免因误用单向TVS而发生负电压信号正向导通成信号失真。双向TVS之符号与I-V 曲线，图2(b) 所示。

正确的是：单向TVS与双向TVS皆能保护正电压或是负电压的突波，只是在选用时要注意单向TVS不适用于操作电压同时存在正电压及负电压的信号线，常见具有双向电压特性的应用包括: Audio, RS485, RS232…等等。单向TVS若应用在RS232双向信号线的防护上，将造成负向讯号 (-12V) 因单向TVS 正向导通而将负向电压钳位在 (-0.7V)，红色虚线波形所示，将造成信号失真或系统死机，请参考图3(a)、图3(b)。

若双向TVS应用于单向电压信号，虽不会有信号被不正常钳位导致失真，但双向TVS在负电压突波条件时保护效果远劣于单向TVS，无法让保护效果最佳化。由于主芯片常为高阶制程故非常脆弱，加上主芯片的I/O防护电路常为单向ESD器件 ，若此时在外部电路采用双向TVS防护，在出现系统级负电压突波时，可能因主芯片内部的单向ESD器件先启动导致主芯片损坏，请参考图1(c)。

由于双向TVS在正电压与负电压均要达到崩溃电压才能启动，所以正电压时导通特性曲线上在单向TVS与双向TVS是相似的，但在负电压时单向TVS其钳位电压约 -0.7V即会正向导通而达到保护功能，而双向TVS在负电压时需达到负向崩溃 (譬如5V TVS VBR 约为 -6V)，所以在负向突波电压保护上会有差异，请参考图1(d) TLP I-V曲线。若比较同样封装的单向及双向TVS时，会发现正电压时虽同为崩溃导通条件，但单向TVS的钳位电压皆优于双向TVS。这是由于在同样的芯片面积的条件下，双向TVS需设计的器件数量较多，结构较复杂。反观单向TVS则可以最大化保护器件的面积，有效降低钳位电压及动态导通电组，提升保护效果。

结论，单向或双向TVS可从电气特性规格书中的元件电路图示 (图2(a)、2(b))辨识。且单向或双向TVS都可以有效防护正电压或是负电压的突波，被保护为单向信号 (全为正电压或负电压)，单向TVS的ESD保护效果肯定优于双向TVS。

图2(a) 单向TVS符号与I-V 曲线, 2(b) 双向TVS符号与I-V 曲线。

须注意被保护的信号为Audio, RS485, RS232等双向信号 (具有正负电压)，则仅能使用双向TVS，以避免在负电压时单向TVS因二极体正向导通而将正常信号钳位在 (-0.7V) 导致通讯异常或死机现象。