静电浪涌防护：TVS

目录

一、个人心得

二、工作原理

三、参数详解

四、区分极性

五、选型步骤

六、参数影响

七、接口参考

八、单双向选择

一、个人心得

1. TVS\钳位二极管\瞬态抑制二极管，可以看做是一种东西，只是称呼不同。
2. TVS防护包含两部分：静电释放（ESD）和浪涌（Surge），TVS参数不同，防护侧重也不同。
3. 静电参数一般都满足国际标准 8/15KV；浪涌主要关注功率参数，即 VC@IPP ，例如东沃电子的SMF5.0A，200W，技术人员说可以抵抗80多V的浪涌。
4. 一般ARM芯片管脚出来的信号（例如UART）只关注ESD，信号是TTL电平，一般不会产生浪涌；而电源部分，需要分辨是前面是何种电源（例如开关电源、DC电源、线性电源），不同的电源纹波干扰不一样，需要同时关注浪涌和静电部分，电源一般使用大功率的TVS，有空间条件的功率可以尽量大。
5. 例如 5V DC，推荐400W的SMAJ5.0A，但是空间有限放不下，拟使用200W的SMF5.0CA。（后缀加A一般为双向）
6. 器件单双向标识，双向（Bidirectional unit）：CA，单向（Uni）： A。
7. ESD 和 Surge 的主要区别：频率不一样，ESD 高频，Surge 低频。
8. TVS管是瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor)的简称。它的特点是：响应速度特别快(为ns级)；耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差，其10/1000μs波脉冲功率从400W～30KW，脉冲峰值电流从0.52A～544A；击穿电压有从6.8V～550V的系列值，便于各种不同电压的电路使用。
9. 浪涌：浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬态过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲，可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。浪涌产生的时间非常短，大概在微微秒级。浪涌出现时，电压电流的幅值超过正常值得两倍以上。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。电源应该限制AC开关、整流桥、保险丝、EMI滤波器件能承受的浪涌水平。浪涌普遍存在于配电系统中，也就是说浪涌无处不在。它会造成的影响可能有：系统的电压波动，在正常工作情况下，机器设备会自动停止或启动，电脑控制系统常出现无理由复位、电机经常要更换或重置、电气设备由于故障、复位或电压问题而缩短使用寿命。
10. 单向TVS二极管一般应用于直流供电电路，双向TVS二极管应用于电压交变的电路。
11. VRWM – VBR – VC过程区分：不能长期在VRWM – VBR之间工作，区间是一个过渡期；VBR 是一个最小的雪崩击穿电压，VBR – VC 期间都在雪崩，电压也是区间递增，直至钳位电压为止。
12. 能量8/20、10/1000，指的是测试浪涌能力（测试设备的参数还有100V、200V，但是自己没接触过这个设备）。
13. 对于小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，一般不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。可以选用峰值功率较小的TVS 管来对小电流负载线路进行保护。
14. TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0．01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，不然有可能损坏TVS。
15. 自熔断保险丝除了考虑正常工作电流 IH，熔断电流 IT 外，注意其温度特性，不同温度下的 IH 会变化，考虑工作环境温度和实际测试最大电流来选型。例如图1、2。

♂华丽的分割线，代表了自己思考输出和整理输入的真香法则♂

二、工作原理

• TVS（Transient Voltage Suppressors）二极管，即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管，是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件。
• TVS二极管有单向与双向之分，单向TVS二极管一般应用于直流供电电路，双向TVS二极管应用于电压交变的 电路。
• 当应用于直流电路时，单向TVS二极管反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS二极管处于截止状态（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二极管击穿电压时，TVS二极管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二极管阻值又恢复为高阻态。

三、参数详解

1. VRWM ：截止电压， TVS二极管的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS二极管劣化或损坏状态下，达到的最大的直流电压或交流峰值电压。 在VRWM下，TVS二极管是不工作的，不导通。它需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。
2. VC：钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流IPP时，TVS二极管两端测得的峰值电压。
3. VBR：击穿电压，是TVS管的最小雪崩电压。指在V-I特性曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10%的VBR来说，VWM=0.81VBR。
4. IR：漏电流，亦称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS二极管的最大电流，其值是在截止电压下测量的。
5. IPP：峰值脉冲电流，一般在10/1000μs电流波形下的峰值。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。
6.  IT：测试电流。
7.  C：电容值，对于同功率等级的TVS管而言，电压越低电容值就越大。在通信线路的防护中，尤其要注意TVS管的电容值。电容对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3pF)，而对电容要求不高的回路电容选择可高于40pF。
8. Pppm额定脉冲功率，这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。对于手持设 备，一般来说500W的TVS就足够了。最大峰值脉冲功耗PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。
9. 封装形式：从TVS管的封装形式，可以看出其功率大小。TVS管的芯片面积直接决定其功率等级。

四、区分极性

1. 看标志：tvs管，有单向和双向之分，单向的一端呢，有细色环，接的是正极，而双向的呢，中间有两道环，或者没有任何标志，没极性。
2. 规格书：一般在第一页，双向为双向导通，单向为单向导通。
3. 看型号：tvs管的型号命名是有规律的，大部分tvs管型号均能看出参数。如TVS管SMF5.0A/SMF5.0CA，尾缀后面是A的表示单向，尾缀CA的表示双向。
4. 借助万用表工具：单向一边又电压，直流方面有雪崩击穿特性；双向都有电压，直流方面，双向对称。

五、选型步骤

1. 多线保护选用TVS阵列更为有利；
2. 要确定被保护电路中的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和“高端”容限；
3. TVS管的额定瞬态功率要大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率。如果知道比较准确的浪涌电流IPP，则可利用VCIpp 来确定功率；如果无法确定IPP的大致范围，则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关；
4. TVS管的截止电压要大于被保护电路的最高工作电压；
5. TVS管的最大钳位电压要小于后级被保护电路中的损坏电压；
6. 确定好TVS管最大箝位电压后，其峰值脉冲电流要大于瞬态浪涌电流；
7. 对于数据接口的电路保护，还需注意选取具有合适电容的TVS二极管。比如：当信号频率或传输速率较高时,应选用低电容系列的TVS管。
8. 温度考虑。瞬态电压抑制器可以在－55 到 +150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随结温增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃到+175℃，大约线性下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

六、参数影响

1. 最高工作电压VRWM ：在电路正常工作情况下，TVS二极管是不工作的，处于截止状态，所以TVS二极管的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证TVS在电路正常工作下不会影响电路工作。但是TVS二极管的工作电压高低也决定了TVS二极管钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS二极管工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择 VRWM时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。
2. TVS功率选型 ：TVS二极管产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率。
3. VC钳位电压：TVS二极管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，大多数TVS管的VC与VBR及IPP都成正比。对于同一功率等级的TVS管，其击穿电压越高VC也越高。
4. IR 漏电流：在一些低功耗电路或高精度采集电路中，IR过大可能导致电路功耗过大或信号的采集精度超标。因低压（VRWM＜10V）TVS管的IR较大，如果后级电路耐受能力较强的话，尽量选择 10V或以上的TVS管；如果后级电路耐受能力不足，需要选择小IR且低电压的TVS管，东沃电子就可以提供这类产品。
5. C结电容：TVS管的结电容一般在几十皮法至几十纳法。对于同一功率等级的TVS管，其电压越低，电容值越大。在一些通信线路中，要特别注意TVS管的结电容，不能影响电路正常工作。
6. 封装形式：一般来说，TVS管的功率从封装形式上也可以体现，封装体积越小，其功率一般也越小，这是因为TVS管的芯片面积直接决定了TVS管的功率等级。

七、接口参考

八、单双向选择

1. 直流用的单向，交流用双向；
2. 但是直流也可以用双向，只是没有发挥双向的优势，而只把其中的一个当做二极管来使用了；
3. 极间电容Cj，单向的比双向的大；
4. 用于负浪涌电压的单向器件的低击穿电压通常是直流电源线和单个电源供电集成电路的优点。

看到一篇案例，分析得很好：GPS接口浪涌案例分析——TVS单向和双向选择，分析一些要点：

1. 分析浪涌电流路径，正向的、反向的，给浪涌电流搭建一条合理的泄放路径；

2. LDO芯片的反向耐压及正向通流都比较脆弱，这时就可以利用单向TVS的不对称性，一个方向为TVS的钳位特性，另一方向为二极管正向导通特性；

3. 例如这个案例中的单向TVS管，反向开启电压0.7V，LDO芯片加新增的二极管后开启电压为0.7+0.3V=1V，这样TVS的反向钳位电压（实际上就是肖特基二极管的正向压降）不大于后端的LDO，LDO也不至于损坏；如果是双向TVS，负向钳位电压大约为6V，LDO负向耐压承受不住会损坏。