钳位二极管（TVS）工作原理、电路及作用解析
众所周知，二极管是一种由PN结制成的半导体。当正电压连接到阳极和负阴极时，二极管被称为正向偏置。只要施加的电压大于结电压，通常为0.7V，电流就会流过二极管。
但是如果电压施加在相反的方向呢？在负偏压下，只要两端电压不超过击穿电压，二极管就会处于非导通状态。在这种状态下，二极管就像一个开路，因为反向偏置的PN结阻止电子流过。
钳位二极管就是在电路中应用这两种特性来操纵输入电压的地方，所以钳位二极管可以用作电平转换器，也可以用来保护组件免受瞬态电压的影响。
钳位二极管的概念
钳位表示限制电路中的电压，而钳位二极管是用于限制电路中某一点的电位的二极管。
通常情况下，连接到钳位二极管一端的电位必须为恒压，即假定该端电位不变，作为参考电位端。另一端为钳位端，其电位发生变化，是需要限制的一端。二极管的钳位作用将钳位端的电位强制到参考端，称为钳位。
钳位与稳压的区别是：钳位是限制某一点的电位，使其不大于或不小于参考端的值，该点的电位是可变的，它是利用二极管的正导通特性进行钳位。稳压就是将某一点的电位稳定在一个恒定值，电位是不变的，就是利用二极管的反向击穿特性来稳定电压。
钳位二极管的工作原理
在电路中，钳位是指将电压控制在固定电压范围内，二极管的特点是单向导通。当它正向开启时，它有一个固定的电压降。
齐纳二极管的特点是反向击穿，正向导通的二极管和反向击穿的齐纳二极管都可以用于钳位电路的设计，用于钳位电路的二极管称为钳位二极管，不同的钳位应用使用不同的二极管。
齐纳二极管用作钳位二极管
在过压保护电路中，可以设计一个带有齐纳二极管的钳位电路。
在下图所示的12V过压保护电路中，使用了一个12V稳压二极管进行钳位。当输入电压小于等于12V时，PNP晶体管Q2截止，PMOS（Q3）管导通，VCC获得正常供电。当输入电压升至12.5V或以上时，由于12V稳压二极管的钳位，PNP晶体管的基极将电压控制在12V，Q2将开始导通，导致PMOS（Q3）关断， VCC电源停止。
肖特基二极管用作钳位二极管
增加钳位二极管可以保护单片机的输入和输出端口，如下图所示，增加了两个肖特基二极管作为钳位二极管，可以有效防止GPIO被静电击穿。当电压大于VDD时，D1导通，静电通过D1释放到VDD；当电压小于GND时，D2导通，静电通过D2释放到GND。由于需要快速释放静电，一般选择肖特基二极管或快速开关二极管作为钳位二极管。
钳位二极管保护原理分析
钳位二极管其实就是TVS管，是瞬态抑制二极管的简称。它是在稳压二极管的基础上发展起来的，稳压二极管是一种新型的二极管形式的高性能保护器件，即限压过压保护器件。
TVS通常采用二极管型轴向引线封装结构，也有SMD，TVS的核心单元是芯片，芯片有单极型和双极型两种结构，单极TVS有一个PN结，双极TVS有两个PN结。单极型仅针对一个方向的浪涌电压冲击提供保护。
瞬态二极管可防止相反极性的浪涌电压冲击，相当于两个反向串联的稳压器，其突出特点是击穿电压低、响应时间几十ps、漏电流小、瞬态功率大、无噪声等，因此在信号系统中得到了广泛的应用和认可。
下面我们来看看下面两个二极管是如何反向串联工作的。如图d1和d2所示，两个二极管反向串联，属于钳位保护电路，还有就是利用这个钳位取零信号，在钳位电路中，二极管负极接地，正端电路被钳位在零电位以下；工作时只能有一个二极管导通，另一个处于截止状态，那么它的正向和反向压降会被钳位到二极管导通压降0.5-0.7（加上导通压降就是这个）下，从而起到保护电路的目的。
下图为TVS管的电压-电流特性。在浪涌电压的作用下，当TVS管两极间电压从额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR时，TVS管两极间电压被击穿，击穿电流发生，所以流过TVS管的电流会达到峰值脉冲电流IPP，两端电压也被钳位在预定的最大钳位电压VC以下。随后，随着脉冲电流呈指数衰减，TVS管两极电压不断下降，最终回到初始状态，这就是TVS管抑制浪涌电流脉冲功率，保护电子器件的原理。
二极管钳位电路
二极管钳位电路是根据二极管在正向导通时压降比较稳定、值较小的特性，设计用来限制电路中某一点的电位，使周期性变化波形的顶部或底部保持在一个一定的直流电平。按照不同的设计，二极管钳位电路可以分为多个类型。
1、正二极管钳位电路
在这个二极管限制电路中，在正弦输入波形的正半周期间，二极管正向偏置。要使二极管正向偏置，它的输入电压幅度必须大于+0.7伏（锗二极管为0.3伏）。
发生这种情况时，二极管开始导通并将电压本身保持在 0.7V不变，直到正弦波形低于该值。因此，二极管上获得的输出电压在正半周期间不超过0.7伏。
在负半周期期间，二极管反向偏置以防止电流流过自身，因此对正常电压的负半部分没有影响，正常电压的负半部分不变地传递给负载。因此，二极管限制输入波形的正半部分，称为正二极管钳位电路。
2、负二极管钳位电路
这个是相反的，二极管在正弦波形的负半周期正向偏置并将其限制在-0.7伏，同时允许正半周期在反向偏置时保持不变。由于二极管限制输入电压的负半周，故称为负二极管钳位电路。
3、两个半周期钳位电路
如果将下图的两个二极管反向并联，那么正负半周期将被截断。二极管D1截断正弦输入波形的正半周，二极管D2截断负半周。然后可以使用二极管钳位电路来限制正半周期、负半周期或两者。
对于理想二极管，上面的输出波形将为零。然而，由于二极管上的正向偏置电压降，实际的削波点分别出现在+0.7伏和-0.7伏。但是我们可以通过串联更多二极管，直到正弦波形的最大值 (V PEAK) 产生 0.7 伏的倍数，或者通过向二极管添加电压偏置，将这个±0.7V的阈值增加到我们想要的任何值。
4、偏置二极管钳位电路
针对不同电平的电压波形产生二极管钳位电路，将偏置电压VBIAS和二极管串联起来，形成一个组合限幅器。在二极管完全正向偏置之前，串联组合两端的电压必须大于0.7V的VBIAS +。例如，如果VBIAS电平设置为4.0 伏，则二极管阳极的正弦电压必须大于4.0 + 0.7 = 4.7伏，因为它会产生偏置。任何高于该偏置点的阳极电压电平都会被截断。
类似地，通过反转二极管和电池偏置电压，当二极管导通时，输出波形的负半周期保持在-V BIAS -0.7V，如下图所示：
5、负偏置二极管钳位电路
可变二极管限幅或二极管可以通过改变二极管的偏置电压来实现限制电平。如果要钳位正负半周期，请使用两个偏置限制二极管。然而，对于正负二极管钳位，偏置电压不必相同。正偏压可以是一个电平，例如4伏，负偏压可以是另一个电平，例如6伏，如下图所示：
6、用于不同偏置电平的二极管钳位
当正半周电压达到+4.7 V时，二极管D1导通并将波形限制在+4.7V。二极管D2直到电压达到-6.7V才导通。因此，所有高于+4.7 V的正电压和低于-6.7 V的负电压会自动降低。
偏置二极管钳位电路的优点是它可以防止输出信号在输入波形的两个半周期内超过预设电压限制，输入波形可能是正负电源轨，输入来自嘈杂的传感器或电源。如果二极管限制电平设置得太低或输入波形太大，消除两个波形峰值可能会结束方波d。
7、齐纳二极管钳位电路
使用偏置电压意味着可以精确控制截断电压波形的量。但使用电压偏置二极管钳位电路的主要缺点之一是它们需要额外的EMF电池源，当然这可能也不是问题的问题。
创建偏置二极管钳位电路而不需要额外电动势的一种简单方法是使用齐纳二极管。
众所周知，齐纳二极管是另一种在其反向偏置击穿区域工作的特殊二极管，因此可用于电压调节或齐纳二极管限制应用。在正向区域，齐纳二极管就像一个普通的硅二极管，正向压降为0.7V (700mV)，同上。
然而，在反向偏置区域，电压被阻断，直到达到齐纳二极管击穿电压。此时，通过齐纳二极管的反向电流急剧增加，但器件两端的齐纳电压VZ保持不变，即使齐纳电流IZ发生变化。
这样就可以通过使用它们来切割波形，使这个齐纳动作很好地工作，如下图所示：
齐纳二极管的作用类似于偏置二极管钳位电路，其偏置电压等于齐纳击穿电压。在该电路中，在波形的正半周期内，齐纳二极管反向偏置，因此波形被钳位在齐纳电压V ZD1 上。在负半周期内，齐纳管就像一个正常的二极管，具有通常的0.7V结值。
另外，还可以通过使用齐纳二极管反向电压特性来进一步拓展这个想法，以便将波形的两半用于有限串联背靠背齐纳二极管，如下图所示（全波齐纳二极管钳位）：
全波齐纳二极管钳位电路的输出波形与之前的电压偏置二极管钳位电路类似。稳压二极管制造有多种电压，可用于在每个半周期内给出不同的电压基准，同上。齐纳二极管的齐纳击穿电压范围为2.4至33 伏，典型容差为1%或5%。注意一旦在反向击穿区开启，全电流将流过稳压二极管，因此必须选择合适的限流电阻R1。
使用钳位二极管的瞬态保护
钳位二极管不仅仅是为了改变电压基线，它们在缓解瞬态事件方面非常有用，尤其是ESD和浪涌电流。例如，当输入电压高于Vh时，D1正向偏置。因此，过多的电流流过D1而不是负载。限流电阻器通常放置在二极管之前，以确保后者在限制范围内工作。
通常情况下，选择具有较大电流处理能力、低结电压和快速导通时间的二极管用于ESD或浪涌保护。限流电阻器还必须能够在大量电流通过时禁用大量热量。
当然，无论是设计电平转换器还是瞬态保护，它都有助于使用强大的PCB设计和分析软件套件来模拟相应的参数，例如可以使用OrCAD PCB Designer来布局电路设计需求。
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