保护器件【气体放电管GDT、半导体放电管TSS、瞬态抑制二极管TVS、静电保护二极管ESD】

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气体放电管（GDT）

气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部充满了电气性能稳定的惰性气体（氩气、氖气）。当在放电管的极间施加足够大的电压，超过惰性气体的绝缘强度时，两极会产生电弧，电离气体，这时放电管便由绝缘状态转变为导电状态。也就是说，无浪涌到来时，气体放电管处于开路状态，浪涌到来时，由高阻变为低阻，浪涌消失时，放电管恢复到原来的状态。

气体放电管是一种开关型的防雷保护器件，一般用于防雷保护的第一级或第二级保护。由于放电管的极间绝缘电阻大，寄生电容小，所以适合用于对高频电路的保护。

优点：

• 电流通容量大
• 寄生电容小，适合高频电路的保护

缺点：

• 放电时延性比较大，响应速度较慢（80ns左右）
• 存在续流。过电压事件结束，气体放电管仍然会保持导通状态，直到电流降到续流电流以下

8/20μs脉冲波形表示以下特性：

• 8μs：这表示脉冲的上升时间（从0到峰值电压）为8微秒。在这段时间内，电压从零逐渐上升到其最大值。
• 20μs：这表示脉冲的持续时间（从0到峰值电压，然后再降至零）为20微秒。
• 8/20μs脉冲波形通常用于模拟雷击或电压浪涌等瞬态过电压事件。

主要参数

直流击穿电压（DC Spark-over Voltage）
部分手册也写成DC Breakdown Voltage，指的是在上升速率100V/s的电压作用下，放电管开始放电的平均电压，手册还会提供一个该电压的变化范围（例如20%），由此还会有一个直流击穿电压最大值和最小值。

冲击击穿电压（Impulse Spark-over Voltage）
在具有规定上升速率的暂态电压脉冲（比如100V/us或者1kV/us）作用下，放电管开始放电的电压值。放电管的响应时间（动作时延）与电压脉冲的上升速率有关，对于不同上升速率的电压，放电管的冲击放电电压是不同的。

标称冲击放电电流（Nominal Impulse Discharge Crurrent）
在规定电压脉冲波形（8/20us）下，放电管击穿后，管子的电气特性不变（直流放电电压及绝缘电阻无明显变化）的电流值。

绝缘电阻（Insulation Resistance）
在规定直流电压下测试得到的两极间的电阻值。一般在 $G\Omega$ 级别。

结电容（Capacitance）
在1MHz的电压波形测试条件下，放电管两极间的电容值，一般为1pF左右。

耐冲击寿命（Impulse Life）
在指定电压脉冲波形和指定电流（8/20us，200A或者10/1000us，100A）情况下，放电管耐冲击的次数。

弧光电压（ARC Voltage）
保持气体放电管的惰性气体产生弧光的电压值。

辉光电压（Glow Voltage）
保持气体放电管的惰性气体产生辉光的电压值。

器件选型

1. 放电管的直流击穿电压的最小值必须大于线路的最大正常工作电压。
2. 确定线路所能承受的最高瞬时电压，确保放电管的冲击击穿电压必须低于这个值。
3. 根据线路中可能窜入的冲击电流强度，确定放电管的标称冲击放电电流（室外一般10kA，入室端一般5kA）。
4. 高速信号线上需要考虑结电容的大小，结电容尽可能小。
5. 气体放电管的续流电压大概在十几-几十伏，如果单独应用在电源两端时，当工作电压大于这个电压值，气体放电管的续流效应会使其一直导通，从而导致电源短路，故应搭配压敏电阻使用。

半导体放电管（TSS）

TSS半导体放电管是一种电压开关型瞬态抑制二极管，也称为固体放电管、浪涌抑制晶闸管，是一种采用半导体工艺制成的PNPN结四层结构器件。当外加电压低于断态电压时，器件处于断开状态；当电压超过最大断态电压时，TSS管会将瞬态电压钳制到转折电压内；电压继续增大，TSS会由于负阻效应进入导通状态，近乎短路；当外加电压恢复正常，电流下降并低于维持电流，元件恢复截止状态。

与TVS管的区别：

1. TSS管都具有双向的导通特性，TVS管有单向和双向区分
2. TSS管是电压开关型的，TVS管是电压钳位型的，从伏安特性曲线可以看出
3. 相同封装时，TSS管的浪涌防护电压一般远高于TVS管

特性曲线

TSS管的伏安特性曲线类似于晶闸管，具有典型的开关特性，如下图所示。其开关特性包含 断态区、击穿区、负阻曲和通态区 四个区域。

断态区：
是电压-电流特性的高电阻、低电流区。该区域从原点延伸至击穿起始点。断态电流包含了反向电流和所有表面漏电流，在该区可施加反向截止电压（ $V_{DRM}$ ）测量TSS的漏电流（ $I_{DRM}$ ）。

击穿区：
击穿区是电压—电流特性的低电阻、高电压区域。该区域是从电压-电流特性的高动态电阻的低电流部分开始变化，至显著的低动态电阻区、电流剧增的区域。最终当TSS正反馈出现足以激活开通时，该区域终止。

负电阻区：
负电阻区表示从击穿区开关点到通态状态的轨迹。该区域是一个动态状态，TSS管正反馈随时间而增加导致电流增加，这引起TSS两端的电压降低，直至达到通态状态。

通态区：
通态区是电压-电流特性的低电阻、高电流部分。在通态状态时，完全正反馈的晶闸管通过的电流产生最低电压降。刚好维持通态的最小电流定义为维持电流（$I_H$），低于该电流会导致TSS关断。

主要参数

截止电压（$V_{DRM}$）
也称断态重复峰值电压，断态时刻施加的包含所有直流和重复性电压分量的额定最高（峰值）瞬时电压。

最大漏电流（$I_{DRM}$）
也称断态重复峰值电流，是指施加断态重复峰值电压 $V_{DRM}$ 产生的最大（峰值）断态电流。

维持电流（$I_H$）
维持TSS管通态的最小电流。一旦流过的电流值小于维持电流，TSS管就会恢复到截止状态。

通态电压（$V_T$）
在规定通态电流 $I_T$ 条件下器件两端电压。当电压升高到TSS管完全导通时，TSS管完全导通，呈现很小的阻抗，此时两极电压为导通电压。

通态电流（$I_T$）
在通态条件下，流过器件的电流。

开关电压（$V_S$）
开关电压定义为器件转换进入通态前，在击穿区终点时器件两端的瞬时电压。

开关电流（$I_S$）
在开关电压 $V_S$ 条件下流过器件的瞬时电流。

电容（$C_O$）
在TSS管关闭状态下的结电容。

除此之外，还有 脉冲峰值电压 $V_{PP}$ 和 脉冲峰值电流 $I_{PP}$。是指在给定波形下TSS的极限值。

器件选型

1. TSS的反向截止电压应大于被保护电路的最大工作电压，否则TSS不仅会影响被保护电路的正常工作，还会影响TSS的使用寿命。
2. TSS是一种开关型过电压保护器件，导通后电压较低，不能单独应用于较高的电源线保护。
3. TSS存在续流，指TSS在导通后，如果被保护的线路电压高于TSS的通态电压，流过TSS的电流高于TSS的维持电流，TSS会一直处于导通状态，TSS如持续通过较大的异常过电流，会对电路造成损坏。

瞬态抑制二极管（TVS）

工作原理

瞬态电压抑制二极管（TVS） 是一种常用于 保护设备免受静电放电相关的瞬态事件影响 的器件，是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成。TVS有单向与双向之分，单向TVS一般应用于直流供电电路，双向TVS应用于电压交变的电路。应用于直流电路时单向TVS反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时 把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS又恢复为高阻态。

TVS 的伏安特性曲线及相关参数说明如图所示，虚线为单向TVS的正向导通压降。双向TVS伏安特性曲线第一象限与第三象限极性相反，特性相似。当TVS反向偏置时，TVS有两种工作模式：待机（高阻抗）或钳制（相对的低阻抗），如图第三象限。在待机状态下，流过TVS的电流称为 漏电流（$I_R$） 或待机电流，该电流的大小随TVS的结温而变化。在TVS的伏安特性曲线中，由高阻抗向低阻抗转变是 雪崩击穿 的开始，当TVS完全雪崩击穿时， TVS会瞬间导通并保持PN结两端相对较低的 钳位电压（$V_C$）。

主要参数

截止电压（$V_{RWM}$）
截止电压是TVS的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS劣化或损坏的最大的直流电压或交流峰值电压。在$V_{RWM}$下，TVS认为是不工作的，即是不导通的。在额定截止电压内，TVS管具有高阻抗，只有少量漏电流。

击穿电压（$V_{BR}$）
击穿电压，指在V-I特性曲线上，在规定的脉冲直流电流$I_T$或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。击穿电压是二极管开始导通的反向偏置电压。

钳位电压（$V_C$）
钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流$I_{PP}$时，TVS两端测得的峰值电压。

漏电流（$I_R$）
漏电流，也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS的最大电流。

峰值脉冲电流（$I_{PP}$）
峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS一般选用10/1000μs电流波形。

器件选型

1. TVS钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压。
2. 在低功耗电路或高精度采集电路中，不能忽视漏电流。
3. 在一些通信线路中，要注意TVS的结电容，不能影响电路正常工作。
4. 需要考虑封装和功率。TVS的功率与封装相关，封装体积越小，其功率一般也越小。
5. 在电路存在正极性和负极性信号时，选用双向TVS进行保护。

静电保护二极管（ESD）

ESD静电保护元件，又称静电抑制二极管。ESD是多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局做成具有特定功能的多路或单路ESD保护器件，主要应用于各类通信接口静电保护。

ESD产品的伏安特性曲线与TVS类似，与TVS不同的是ESD产品功率较小，工作电压也较低，ESD的工作电压根据被保护芯片的工作电压来来设计。

ESD特点

1. ESD是一种钳位型过压保护器件，用于静电防护及一些较低浪涌的防护
2. ESD电压根据被保护IC的工作电压或通信电压设计，因此需要选择合适的击穿电压
3. ESD的结电容比较低，适合高速通信应用，不影响数据通信质量

选型注意事项

1. ESD器件的截止电压应大于被保护电路的最大工作电压，否则会影响被保护电路的正常工作
2. ESD 一般用于各类通信端口静电防护，在一些高速数据线路，如USB3.0、USB3.1、HDMI等接口，ESD保护器件的结电容应选择尽量的小，以避免影响通信质量
3. 根据电路设计布局及被保护线路数选择合适的封装形式。ESD器件封装的大小从一定程度上可以反应器件的防护等级大小，一般封装越大的器件防护等级也越高，反之亦然。