平旦,辽被甲持戟,先登陷陈,杀数十人,斩二将,大呼自名,冲垒入,至权麾下。权大惊,众不知所为,走登高冢,以长戟自守。辽叱权下战,权不敢动,望见辽所将众少,乃聚围辽数重。辽左右麾围,直前急击,围开,辽将麾下数十人得出,馀众号呼曰:“将军弃我乎!”辽复还突围,拔出馀众。权人马皆披靡,无敢当者。 - 《三国志·魏书·张辽传》
张辽作风骁勇,在上述威震逍遥津的事迹中,虽自己已突围,但因部下的呼号求救,不惜自己生命也要折返回去救部下。此刻,男人间的浪漫展露无遗,可谓是真正的勇士,豪气干云,气盖江东。
在防护领域,根据钳位特性的表现,有一种TVS管与常规管不同。如同张辽折返回去救人一样,该管子亦具有骤回(也叫转折、折返、Snap back,各家命名不一,但本质相同)的特性。
由此称为骤回TVS,它具有负阻转折的特性,带来钳位电压Vc的优化。一些骤回TVS还具有超低电容特性,因此适用于高频信号线路保护。
为了讲清楚骤回TVS管,需要先从常规TVS管说起。
常规TVS管
如下图,常规TVS管是按照一定斜率(与二极管动态电阻RDYN有关)画出的曲线。从击穿电压VBR处(对应于二级管雪崩电压)开始着手钳位,钳位电压Vc = VBR + RDYN * IPP给出,这里IPP为峰值脉冲电流。

骤回TVS管原理
而带有骤回(Snap back)功能的TVS管,具有先触发后回落的特性。
如下图右图所示,当电压达到触发电压(VTRIG,Vtr)后,电压会立即降低,变为保持电压(VHOLD,Vh)。此时,Vc= Vh + RDYN * IPP。可见钳位后的电压降低(甚至低于击穿电压VBR),防护性能变好,能更有效地应对剧烈的电压瞬变。

常规TVS管为基于反向击穿(齐纳击穿或雪崩击穿)原理的PN结或PN结阵列;而Snap back管基于负阻特性(正反馈特性),以可控硅(SCR,Silicon controlled rectifier)原理的Snap back管为例,其结构如下图:

Anode接信号端口,Cathode连接GND。当Anode遭受ESD/EOS冲击时,NW/PW结被击穿,晶体管NPN和PNP同时导通。随后晶体管NPN和PNP进入放大状态,由于βPNP* βNPN≥1,便形成了正反馈,呈现出大骤回特性。
上面只列出了一种基于SCR结构的大骤回,实际上业界还有小骤回TVS,不详述。
骤回TVS管注意事项
- 骤回管不建议用于电源线上,避免出现闩锁(异常高压消失后,器件不可自动恢复到高阻状态了,像是被锁住了)。如果一定要用,要保证TVS的Vhold大于电源电压。
- 要注意骤回TVS管的VTRIG能否被正常触发,比如在手机项目上,有的骤回TVS放在主板上,与放在小板相比,中间经过了FPC的走线,而FPC走线带有阻抗,不容易触发VTRIG!
- 尽量靠近需要保护的端口或芯片放置,以减小寄生参数的影响。使用短而粗的走线,确保浪涌电流有低阻抗的泄放路径。
总之,骤回TVS适用于处理短暂的能量脉冲的场景,在脉冲结束后能依靠电流归零而复位。
而对于电源线场景,在电压超过击穿点后,骤回TVS阻抗急剧下降,TVS电压会回落并维持在一个更低的值,直到电流降低到阈值(维持电流, Ih)以下才能恢复,但骤回TVS把自身的电压弄低了,所以易有大电流在维持,便不容易恢复,如同英雄困在敌营般。如果电源不能限流或故障电压持续存在,器件可能无法回到高阻抗状态,导致持续短路而最终烧毁。
骤回TVS管波形实测
如下图,通过1R电阻搭配骤回TVS,摸底曲线,能明显看到波形上的骤回表现。
