電路保護降維修成本
產品的安全性越來越受到人們的重視，各種法令也明確要求產品的防護等級，如IEC61000-4-5、IEC61000-4-2等。某些出口產品必須滿足相應的安規認證，才得以進入市場。隨著電路的整合化程度越來越高，各種晶片的小型化也導致IC抗干擾能力逐漸減弱，電路的電磁相容問題更加突顯。在電路中增加小成本的電路保護元件(Circuit Protection Component, CPC)，可有效保護成本較高的主晶片等免受瞬態干擾電壓的損壞，從某種程度上降低了產品開發的成本。在電路設計中加入保護元件，可有效提高產品可靠性，降低產品故障發生率，減少維護及維修成本。尤其雷擊引發的損害往往對電子產品是致命的，在產品AC電源輸入端加入保護元件，可降低產品因雷擊引發的損害，並同時保護人身安全。此外，高品質的產品也可以提升產品競爭力。
電路保護元件種類
現今市場上較為常見的保護元件分為以下八大類：瞬態抑制二極體(Transient Voltage Suppressor, TVS)、靜電保護元件(Electrostatic Discharge Protection Devices, ESD)、半導體放電管(Thyristor Surge Suppressor, TSS)、壓敏電阻(Metal Oxide Varistor, MOV)、陶瓷氣體放電管(Gas Discharge Tube, GDT)、玻璃氣體放電管(Spark Gap Protector, SPG)、正溫度係數熱敏電阻(Polymeric Positive Temperature Coefficient Thermistor, PPTC)及負溫度係數熱敏電阻(Negative Temperature Coefficient Thermistor, NTC)。
其中TVS、ESD、MOV為鉗位型的過電壓保護元件，GDT、SPG、TSS為開關型過電壓保護元件，PPTC為過電流保護元件，而NTC可作為浪湧電流的防護及溫度感應元件。鉗位型過電壓保護元件的伏安特性曲線如下圖1所示，當電壓達到鉗位型過電壓保護元件的擊穿電壓時，其電阻瞬間減小為低阻抗，泄放大浪湧電流，進而將浪湧電壓限制在一個較低的水準。鉗位型過電壓保護元件的特點是元件導通後，鉗位電壓會高於元件的擊穿電壓，元件兩端的鉗位電壓與瞬間通過的浪湧電流大小成正比關係。而鉗位型過電壓保護元件常應用於電源線、低頻通訊線路的過電壓防護。
開關型過電壓保護元件的伏安特性曲線如圖2所示，當電壓達到元件的擊穿電壓後，其電阻瞬間減小為低阻態，泄放浪湧電流，並將浪湧電壓限制在一個較低的水準。開關型過電壓保護元件的特點是元件導通後其兩端的電壓會低於元件的擊穿電壓，常用於通訊系統高頻訊號線浪湧防護。
PPTC則是一種可反覆使用的過電流型保護元件，當電流逐漸升高、溫度也逐漸升高時，PPTC的電阻值也會往上升(圖3)，常用於電源線過電流保護。而NTC則是隨著溫度升高，電阻值減少的熱敏電阻(圖4)，NTC主要應用於溫度測量和控制，溫度補償、突波抑制、環境測量等。
TVS技術原理/市場/應用分項剖析
TVS採用半導體擴散工藝製成的單個PN結或多個PN結整合的元件，防護原理如圖5所示。TVS有單向與雙向之分，單向TVS一般應用於直流供電電路，雙向TVS應用於電壓交變的電路，伏安特性曲線如圖6所示。應用於直流電路時單向產品反向並聯於電路中，當電路正常工作時，TVS處於截止狀態(高阻態)，不影響電路正常工作。當電路出現異常過電壓並達到TVS擊穿電壓時，TVS迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態，泄放由異常過電壓導致的暫態過電流到地，同時保持PN結兩端相對較低的鉗位電壓，進而保護後級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失後，TVS阻值又恢復為高阻態。
主要參數
1.截止電壓(VRWM)
可連續施加而不引起TVS劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。
2.漏電流(IR)
也稱待機電流，在規定溫度和最高工作電壓條件下，流過TVS的最大電流，在截止電壓下測量。
3.擊穿電壓(VBR)
在規定的脈衝直流電流IT或接近發生雪崩的電流條件下測得TVS兩端的電壓。
4.峰值脈衝電流(IPP)
給定脈衝電流波形的峰值電流。TVS 一般選用10/1000μs電流波型。
5.鉗位電壓(VC)
施加規定波形的峰值脈衝電流IPP時，TVS兩端測得的峰值電壓。
製程
TVS屬於半導體製程，內部構造如圖7所示(左圖為插件式，右圖為貼片式)：
其中晶粒的製造流程如圖8所示：
晶粒由一開始裸晶圓進行清洗後，藉由高溫擴散，摻入需要的雜質，形成PN結，經過氧化退火，再進行光刻(圖9)。光刻前需先把光阻劑塗在晶圓表面，為下一道蝕刻工藝作準備，透過光罩，讓部分光阻劑曝光，曝光後的光阻劑耐腐蝕，在蝕刻時能保護要被保留的部分。
經過一次光刻後去掉溝槽線條部分的氧化層的晶片，對溝槽線條部分矽片進行蝕刻。在檯面蝕刻後進行玻璃鈍化，可以使元件具有擊穿電壓高、漏電流小、高溫穩定性好、可靠性高等特性。玻璃作為一種硬度比較高的絕緣體，對於後續工序PN結的保護也具有重要作用。在表面鍍鎳，形成金屬層，為後面焊接時提供焊接面，最後對成品片沿著溝槽中心線劃切，把成品片分成一顆顆晶粒的過程稱為劃片(圖10)。
測試標準
隨機性的瞬態過電壓引起的浪湧衝擊，會對產品產生嚴重的危害，因此針對不同的應用環境，國際上制定相應的瞬態浪湧抑制規範。測試標準分為IEC61000-4-2(靜電防護)及IEC61000-4-5(浪湧防護)。
IEC61000-4-2靜電防護的測試標準規定波形如圖11，共分為四個等級，每個等級各有其規定的Ipeak、I30ns、I60ns及電壓值，詳細數據請參照表1。
浪湧測試標準IEC61000-4-5測試標準中也有明確定義出四個測試等級，最大為4kV。圖12則顯示測試標準中對不同類型埠有不同的要求，電源口採用1.2/50μs及8/20μs組合波測試(左上/右上圖)；對於通訊連接埠採用10/700μs的波形測試(左下圖)。汽車電子依據行業標準ISO 7637-2進行測試，如為拋負載5a/5b測試波形(右下圖)。為了防止瞬態過壓引入的浪湧等干擾，電路中需要加入TVS來進行防護。
選型
1.截止電壓
在電路正常工作情況時，TVS處於截止狀態，所以TVS截止電壓應選擇大於被保護電路的最高工作電壓，確保TVS在電路正常工作時不會影響電路工作。
2.鉗位電壓
TVS鉗位電壓應小於後級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓，鉗位電壓與TVS的擊穿電壓及峰值脈衝電流都成正比。對於同一功率等級的TVS，其擊穿電壓越高VC也越高。
3.漏電流
對於通訊電路及低功耗電路，要特別注意，IR不能影響系統的效率及正常工作。低壓(VRWM＜10V)TVS的漏電流較大，如果在電壓允許的情況下，儘量選擇10V以上的TVS，可獲得較小的漏電流。
4.結電容(Cj)
TVS的結電容一般在幾十皮法至幾十納法。對於同一功率等級的TVS，其電壓越低，電容值越大。在一些通訊線路中，要注意TVS的結電容，不能影響電路正常工作。
5.封裝形式
TVS的功率可以展現在封裝形式上，封裝體積越小，其功率一般也越小，因為TVS的晶片面積直接決定了TVS的功率等級，可根據電路設計及測試要求選擇合適封裝的TVS元件。
應用範例
1.直流電源口
電源口作為設備靠前端的輸入埠，面臨著各種隨機性的瞬態過壓干擾。以常見的直流(Direct Current, DC)電源口為例，保護方案如圖13所示，可選擇MOV或TVS。MOV在對瞬態干擾保護的同時，會產生較高的殘壓，對於一些快速上升的電壓尖峰，抑制效果不明顯，且動作後會有不可恢復的老化現象，隨著時間和動作次數的增加，可靠性無法得到保證，封裝體積也無法滿足產品小型化的需求。有鑑於以上特性，對於汽車電子高防護要求的應用來說，具備反應速度快、高可靠性、低鉗位電壓、小封裝特性的TVS成為關鍵性的保護元件。
例如24V系統汽車電子產品的DC電源輸入口，因使用環境複雜，行車環境因素的多變性，拋負載發生時會產生很大的干擾脈衝，對汽車電子產品後級的DC/DC轉換器及積體電路造成損壞。為了行車的安全性和使用壽命，需要在拋負載發生時迅速的反應。TVS以皮秒級的反應速度和精確的鉗位電壓，能在第一時間抑制干擾。如圖14所示，汽車電子24V系統產品直流電源口使用TVS，在202V 4ohm 350ms的測試條件下，上圖沒有並聯TVS時，電壓最大值達到205V，而下圖並聯TVS後，殘壓約為46V左右，可以對拋負載干擾進行有效的抑制，使得後級電路被保護。如圖14為增加TVS保護元件前後的對比：
2.通訊介面
作為低速通訊口的代表RS-485通訊匯流排以控制簡單、通訊距離遠、成本低等特點，已經廣泛的用於工業控制、儀器儀表、安防監控等產業。如RS485通訊傳輸距離長，且其傳輸線通常暴露於戶外，因此極易因為雷擊等原因引入瞬態過電壓干擾，而RS485收發器通常處在低壓狀態(5V左右)，自身的抗干擾性較低，沒有可疏導瞬變電壓干擾的路徑，如果不增加適當的保護，很容易造成通訊介面晶片損壞。TVS作為回應速度快、鉗位電壓低的過壓保護元件，可以成為RS485浪湧防護的優良元件選擇之一。
RS485的保護方案如圖15所示，RS485的A/B匯流排之間使用TVS，可以達到對RS485的差模和共模浪湧防護。
如要實現高防護等級，可採用兩級防護，如圖16所示，前級採用SPG，後級採用TVS，兩級之間可根據線路電流大小選擇功率電阻、功率電感或PPTC，做退耦(Decoupling)元件，使兩級協同工作。
市場狀況
目前TVS在市場上主要應用於數位電子應用、汽車產業及電源應用。通訊設備包含無線電話、基地台、網路及開關，是最大的終端產品市場，而電源應用市場主要注重照明安定器與電源供應器上。國際上知名的TVS製造商包含意法半導體(ST)、Semtech、威世科技(Vishay)及利特(Littelfuse)等，而台灣的製造商包含晶焱科技、強茂及君耀電子等。
TVS以車規等級為目標
TVS未來目標著重於小型化、高功率、高浪湧吸收能力及車規等級的趨勢發展，應用端朝向車用市場、5G基地台發展。現今電動汽車逐漸發展及日益普及，保護元件的需求量也持續成長，2025年電動車需求量預估4千萬台，需要的保護元件達24億~32億個。另一方面5G基地台在2025年預估需求3千萬組，保護元件需求量達6億個。隨著科技的日新月異，保護元件的需求日益成長，TVS因其反應速度快、高可靠性、低鉗位電壓及小封裝的特性，在過電壓保護元件中占有不可或缺的地位，在未來市場上可以應用的產品也會持續擴展。
