單向及雙向 TVS 的特性及應用差異

1.      簡介單向及雙向訊號特性
        一般訊號可概分成兩類 : 第一類為單向訊號(Unidirectional Signal)，意即訊號電壓準位均在0V以上，請參考圖一。第二類為雙向訊號(Bidirectional Signal)，意即訊號電壓會有0V以上與0V以下的準位，請參考圖二。

圖二 : 雙向訊號

2.    單向TVS與雙向TVS之特性

        由於需要加TVS保護的訊號有可能是單向或雙向，因此選用TVS時需特別注意並釐清訊號之準位是否有正負準位。當訊號為單向訊號即其訊號電壓準位為0V以上之正電壓，則需選擇單向TVS來使用，單向TVS符號請參考圖三。選擇TVS需先根據訊號之電壓準位是否含有正負電壓成份來選擇單向或雙向TVS，訊號電壓準位不能高於TVS的崩潰電壓 (VBV)，當訊號準位高於崩潰電壓 (VBV)時會造成TVS崩潰導通情況，故選擇TVS時需先評估訊號電壓準位並與欲使用之TVS 的I-V 曲線(直流特性曲線)做比較，單向TVS I-V曲線請參考圖四。單向TVS的特性為當正突波電壓達到TVS的正觸發電壓(VTRIG)時，TVS開始導通則此時正向突波電流因TVS導通而宣洩到地平面(Ground)。當負突波電壓達到二極體forward電壓時則TVS forward導通，此時負向突波電流透過TVS forward導通而宣洩到地平面(Ground)達到保護功能，圖四與圖五為單向TVS的I-V曲線(直流特性)與TLP曲線(暫態特性)。

        當欲保護之訊號為雙向訊號即其訊號電壓準位有0V以上與0V以下之正負電壓準位，則需選擇雙向TVS以避免負向訊號因負向TVS forward導通導致訊號失真。雙向TVS之符號與I-V 曲線(直流特性)請參考圖六、圖七。

圖七 : 雙向TVS I-V曲線(直流特性)

3.      單向TVS與雙向TVS之應用差異

單向TVS適用於操作電壓為0V以上之正電壓訊號線，且須根據訊號線之操作電壓大小來選擇合適操作電壓之TVS是非常重要的。舉例而言：若訊號電壓準位為+5V，則建議選擇VRWM為+5V之TVS，若選擇低於+5V操作電壓之TVS則訊號之電壓準位+5V會讓TVS進入崩潰導通區而燒毀。若選擇過高於+5V之TVS會造成TVS較慢才進入崩潰導通因此可能抑制ESD效果不佳。 單向TVS若應用在雙向訊號線上，將會造成負向訊號(-5V)因單向TVS forward導通(約0.7V)始導通而將電壓箝位在-0.7V，此舉將造成訊號失真或甚至系統當機，請參考圖八、圖九。

圖九 : 負向訊號箝位在 -0.7V

        反之若雙向TVS應用於單向電壓訊號(+5V ~ 0V)，雖不會有訊號被不正常箝位情況但恐有TVS效能無法最佳化問題，請參考圖十。由於雙向TVS在正電壓與負電壓均是靠崩潰導通，所以正電壓的I-V曲線上在單向TVS與雙向TVS是沒有差異的，但在負電壓時單向TVS其箝位電壓約 -0.7V即會Forward導通而達到保護功能，而雙向TVS在負電壓時需達到負向崩潰(約 -6V)才會導通，所以在負向突波電壓保護上會有差異，請參考圖十一。

        一般來說單向TVS或雙向TVS在電氣特性規格書上可以分辨出來，單向TVS其操作電壓VRWM會僅有標示正電壓值，請參考圖十二AZ-5105-01F規格書。雙向TVS其操作電壓VRWM會標示正負電壓值，請參考圖十三AZ-5725-01F規格書。

4.      正確選擇TVS的四步驟

        第一步驟需先確認訊號線之共模電壓準位(Common Mode Voltage)，TVS之操作電壓V_RWM代表在此電壓準位下TVS之漏電流會小於1uA，如此可以確認漏電流不會超過1uA。另外TVS的崩潰電壓VBV是定義當操作電壓慢慢增加時其漏電流會越來越大，當超過1mA時則定義此時的電壓為此TVS的崩潰電壓。故在選擇TVS時需先確認訊號線上的共模電壓準位為多少？TVS的操作電壓需大於訊號線之共模電壓(訊號共模電壓<V_RWM<V_BV)，否則有可能會出現漏電流過大而導致系統異常問題。   

        第二步驟需確認訊號線要求之Insertion Loss (-3db)的頻率點，因TVS會有寄生電容效應且電容效應會在高頻造成訊號衰減，故TVS使用在高速訊號時需特別注意Insertion Loss與Total capacitance。一般高速訊號會規範訊號的Insertion Loss (-3db)在多少Hz，當訊號線上的總電容增加時則其Insertion Loss頻率會往下修正，舉例而言若有一高速訊號規定其Insertion Loss (-3db)在5GHz，原始未加TVS時是可以通過此規範，但加上寄生容值過大之TVS使得訊號線的Insertion Loss (-3db)降為2.5GHz，則此TVS的容值明顯過大而影響訊號線的Insertion Loss導致無法正常傳輸。一般來說Insertion Loss (-3db)若要求在5GHz則大約TVS容值約要在0.5pF左右。AZ1043-04F其電容值為0.45pF且Insertion Loss的-3db點高達8.3GHz，換算約作16.6Gbps之高速傳輸，由於其data-rate為16.6 Gbps高過於5Gbps故適用於5Gbps 的USB3.1 Gen1傳輸使用，請參考圖十四。

圖十四 : TVS Insertion Loss (AZ1043-04F)

        第三步驟是確認突波Duration長短來選擇合適TVS，因突波型式有許多種，主要依突波Duration長短來分類，概分為ns(奈秒， 10的負九次方)與us(微秒，10的負6次方)兩種。若突波之Duration為ns等級則歸類為ESD (Electrostatic Discharge)，由歐盟法規IEC 61000-4-2來規範，法規中明確地定義了突波的上升時間、峰值電壓、30ns與60ns 電壓值，突波的波形與詳細規格請參考圖十五。

圖十五 : IEC 61000-4-2 波形

        第二種突波其Duration較長約為us(微秒)，由於出現之時間較長故其破壞力也較大，常見的有如雷擊(Surge)。歐盟定意此種微秒突波在IEC 61000-4-5，8/20us Surge之波形請參考圖十六。若受到此種微秒等級的大能量突波衝擊通常會造成IC EOS(Electrical Over Stress)與外觀上的損毀，請參考圖十七。

圖十七 : IC 遭受EOS損毀圖

       第四步驟為選擇Clamping Voltage較低之TVS，TVS的Clamping Voltage為其突波防護效能之指標，Clamping Voltage越低表示突波出現時TVS能箝制突波在多麼低的電壓準位，同時TVS箝位電壓也是內部IC pin腳看到的電壓準位，Clamping Voltage越低則內部IC pin腳看到的電壓準位就越低，因此內部IC 就越不會因電壓過高而損毀，TVS 的Çlamping Voltage比較請參考圖十八。

圖十八 : TVS Clamping Voltage 比較