电路设计过程中如何选择 TVS 二极管？

为了保护电路、系统和系统用户，电气快速瞬变 (EFT) 电压是设计人员必须考虑的现实问题。EFT 的来源有很多，包括简单动作(例如在地毯上行走)引起的常见静电放电 (ESD)、电机启动或者引发连锁反应的雷击。从低压电池供电的可穿戴设备到高功率电机系统，这些瞬变会对各类产品产生不利影响。

EFT 造成的影响包括暂时中断运行和无法运行，乃至长期性能下降以及彻底的永久性损坏和故障。为了减少电压瞬变，设计人员可以采取一些措施，例如使用防静电外壳、滤波、在源头钳制电压或者进行外加接地，但这些措施往往需要根据具体的应用场景进行修改或升级。

为了可靠地最大限度减少或消除瞬态电压的有害影响，设计人员可以使用被称为瞬态电压抑制 (TVS) 二极管的双端无源元器件。尽管这些二极管通常被视为开路，但当瞬态事件发生时，它们几乎能够瞬间做出反应，并造成类似于短路的效果，从而将瞬态过压转移到大地。TVS 二极管具有响应速度快、耐高压、寿命长、电容低等特点。

本文将以 [Eaton Corporation plc] (Eaton) 的各种器件和器件系列为例，探讨 TVS 二极管的需求、作用、类型和应用。

为了降低 EFT 的风险，国际电工委员会 (IEC) 在 IEC 61000-4(“电磁兼容性 (EMC)：测试和测量技术”)中规定了三种国际公认的过压保护标准：

人体接触引起的典型 ESD 脉冲波形图表

图 1：根据 IEC 61000-4-2 标准，由人体接触引起的典型 ESD 脉冲波形表明，上升时间非常短，不到 1 ns，大部分能量在前 30 ns 以内耗散。(图片来源：Eaton)

此波形本身并未表明相关的电压水平。IEC 61000-4-2 规定了各种设备在接触放电和空气放电时的系统级 ESD 抗扰度测试电压(图 2)。

| | IEC 61000-4-2 等级 | 接触放电 | 空气放电 | | -------------------- | ---------- | ---------- | | 1 级 | 2 kV | 2 kV | | 2 级 | 4 kV | 4 kV | | 3 级 | 6 kV | 8 kV | | 4 级 | 8 kV | 15 kV |

图 2：IEC 61000-4-2 空气放电和接触放电等级进一步明确了人体接触的具体要求。(图片来源：Eaton)

应当根据应用中所需的 ESD 防护等级，选择适当的 TVS 二极管。请注意，当根据 IEC 61000-4-2 标准进行测试时，Eaton 的所有 TVS 二极管都能够至少达到 4 级性能。还有其他具有更高 ESD 耐受能力的选择，能够承受高达 30 kV 的空气放电和接触放电电压。

IEC 61000-4-5 定义了一个典型的雷击电压波形(图 3)。

IEC 61000-4-5 定义的雷击脉冲波形图片

图 3：这是 IEC 61000-4-5 定义的雷击脉冲波形(I

聚丙烯

是峰值电流)。

IEC 61000-4-5 标准还规定了各类电气/电子设备的浪涌抗扰度测试电压水平(图 4)。

电压水平由终端应用决定：

| | IEC 61000-4-5 浪涌测试级别 | | ---------------------------- | | 分类 | 电压水平 (kV) | 2 Ω 时的最大峰值电流 (A) | | 1 | 0.5 | 250 | | 2 | 1 | 500 | | 3 | 2 | 1,000 | | 4 | 4 | 2,000 | | X | 定制 | 定制 |

图 4：IEC 61000-4-5 为电涌抗扰度规定了四个测试级别。(图片来源：Eaton)

IEC 61000-4-4 标准描述的 EFT 脉冲波形图片

图 5：IEC 61000-4-4 标准描述的 EFT 脉冲波形。(图片来源：Eaton)

请注意，EFT 的特征通常只体现为两对数字：它们达到峰值的上升时间 (t 1 ) 和瞬变降到 50% 峰值前的脉冲持续时间 (t 2 )。8/20 µs 瞬变是工业应用中的一种常见脉冲。

电路或系统必须承受的瞬态电压 ESD 的大小取决于应用。MIL-STD-883 规定了三个等级，此标准广泛应用于工业、军事和航空航天系统(图 6)。

| | 等级 | 成功的 ESD 性能 | | ------ | -------------------- | | 1 级 | 0 V 至 1,999 V | | 2 级 | 2,000 V 至 3,999 V | | 3 级 | 4000 V 或更高 |

图 6：根据 MIL-STD-883 第 3015 号方法，ESD 灵敏度分为三个等级。(图片来源：Eaton)

为了满足各种要求并保护系统，设计人员可以使用 TVS 二极管。TVS 二极管是硅过压保护器件，根据二极管雪崩击穿原理工作。这些器件与常规电路平行安装，以保护内部元器件免受短时(瞬态)电压和中高电压的影响(图 7)。

横跨输入端的 TVS 二极管示意图

图 7：受保护线路与系统接地线之间横跨输入端的 TVS 二极管。(图片来源：Eaton)

在正常的非瞬态工作状态下，TVS 二极管保持高阻抗，不会干扰流经设备的电源或信号。但当 TVS 二极管的端子受到瞬时高能量冲击时，它会迅速进入低阻抗状态(称为雪崩击穿)，以吸收大电流并将电压钳制到安全水平，从而保护下游电路元件。

TVS 二极管以单向或双向 P-N 结器件形式提供。尽管名称是单向，但大多数单向 TVS 二极管也能抑制两个极性的电压。它们的区别在于，单向 TVS 二极管具有非对称电压-电流 (V-I) 特性，而双向 TVS 二极管具有对称 V-I 特性(图 8)。双向 TVS 二极管非常适合保护具有双向或者高于和低于接地电压的信号的电气节点。

TVS 二极管名称不反映任何固有方向性的示意图

图 8：TVS 二极管名称不反映任何固有方向性。而是，单向 TVS 二极管具有非对称电压-电流 (V-I) 特性，而双向二极管具有对称 V-I 特性。(图片来源：Eaton)

TVS 二极管由很多高级规格定义。其中包括：

通常使用一个四步过程来选择 TVS 二极管：

TVS 器件在电路板上的布置对于充分发挥这些器件的性能至关重要。为了获得最佳的浪涌保护，二极管应尽可能靠近电压输入点(例如 I/O 端口)，以最大限度减少寄生效应对于有效抑制快速瞬态浪涌的影响。

Eaton 的 TVS 二极管非常适合为 I/O 接口以及高速数字和模拟信号线提供过压保护。它们具有超低的钳位电压、高峰值功率、高电流耗散和纳秒级响应时间。

TVS 二极管的封装与规格密切相关。提供表面贴装封装和通孔封装，后者具有更高的电压/电流性能。

TVS 二极管必须能够防御各种电压和电流。因此，一个额定电压值和其他参数无法满足所有 EFT 情况的需求。来自四个不同系列的示例说明了这些情况。

[SMFE5-0A](图 9)是该系列中的一员。其钳位电压为 9.2 V，IPP为 21.7 A，支持单向或双向用例。当工作电压高于 10 V 时，反向漏电流小于 1 μA，响应速度快，从 0 V 到 VBR的响应时间通常不到 1.0 ps。

Eaton SMFE5-0A 9.2 V TVS 二极管的图片

图 9：SMFE5-0A 9.2 V TVS 二极管采用扁平 SOD-123FL 表面贴装封装，主要面向移动应用和可穿戴应用。(图片来源：Eaton)

为了满足电流和 UL 要求，该系列器件采用了与 [AK6E-066C]相同的通孔轴向引线封装、120 V 钳位和 6000 A IPP二极管(图 10)。此二极管的引线长 25 mm，中心体近似于正方形，尺寸约为 13 × 15 mm。

Eaton AK6E-066C 高功率 120 V TVS 二极管的图片

图 10：AK6E-066C 高功率 120 V TVS 二极管可提供高达 10,000 A 的保护，并采用通孔轴向引线封装。(图片来源：Eaton)

该系列器件的电压范围为 5 到 440 V，每种器件都有单向和双向版本，其中包括 [SMAJE22AH]，它具有 35.5 V 钳位电压和 11.3 A I PP (图 11)。该系列的所有器件都采用表面贴装塑料封装，(最大)尺寸为 3.0 × 4.65 × 2.44 mm，符合 UL 94 V-0 阻燃等级(图 11)。

Eaton SMAJE22AH 35.5 V TVS 二极管的图片

图 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二极管符合 AEC-Q101 规定的汽车标准;它还采用了符合 UL 94 V-0 阻燃等级标准的塑料封装。(图片来源：Eaton)

静电、电机启动或附近的雷击产生的电气瞬变可能会导致电子系统及其元器件损坏。TVS 二极管几乎能够瞬间响应这些过电压，并将瞬态电压和能量转移到大地，从而保护系统。如图所示，Eaton 提供了多个系列的 TVS 二极管，每个系列由很多具有不同额定电压的器件组成，以满足预期的瞬态电压幅度、最终产品限制和法规要求，同时只需几平方毫米的电路板空间。