TVS如何对电路元件进行快速过电压保护

一、TVS管使用场景

TVS主要用于对电路元件进行快速过电压保护。它能"吸收"功率高达数千瓦的浪涌信号。TVS具有体积小、功率大、响应快、无噪声、价格低等诸多优点,它的应用十分广泛，如:家用电器;电子仪器;仪表;精密设备;计算机系统;通讯设备;RS232、485及 CAN等通讯端口;ISDN的保护;I/O端口;IC电路保护;音、视频输入;交、直流电源;电机、继电器噪声的抑制等各个领域。也可以有效地对雷电、负载开关等人为操作错误引起的过电压冲击起保护作用。

TVS管通常用于保护器件，防止线路中的瞬间脉冲干扰打坏器件，干扰信号。TVS管能在很短的时间导通并把瞬态脉冲电压钳在一个稳定值，原理如下图。常见的瞬间脉冲主要包括：静电放电，接口插拔瞬间，浪涌，开关电源噪声等。

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二、TVS管参数及解释

参考LRC公司型号LESD5Z5.0T1G的TVS管，规格书中一般会给出以下表格：

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我们重点关注几个主要选型参数：

VRWM：反向工作电压，即电路正常工作时TVS管两端所设的最大电压，被保护的电路或器件正常工作电压应小于VRWM，否则正常工作就触发TVS管，这是不合理的。

VBR：击穿电压/血崩电压，即TVS管被击穿而引发雪崩效应(阻抗骤然降低)的电压值，通常这个值为1.1~1.3倍的VRWM。选型中不太需要关注这个值。

VC：最大钳位电压，施加规定波形的脉冲电流Ipp时，在TVS管两端的最大电压，即管子能将脉冲电压限制在这个值以下，以保护器件。选型时要使VC小于器件/引脚的最大耐压值，否则TVS管加了等于没加。

IR：最大反向漏电流(VRWM条件下)，即电路正常工作时流经管子的最大漏电流。

Ipp：最大反向浪涌峰值电流，即遇到瞬间脉冲干扰时能够流过的最大电流值，这个值越大表示抑制浪涌能力越强。最大峰值电流对应最大钳位电压。

Ppp：最大峰值脉冲功率，通常来说 峰值脉冲功率=峰值脉冲电流x最大钳位电压。但其还与脉冲波形，环境温度，持续时间有关，所以规格书一般不相等。以规格书为准。峰值脉冲功率选择时，要大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率。

Cj：极间电容，即TVS管引脚的寄生电容。在信号传输电路保护时，信号速率越高，极间电容应越小。电容选择建议如下图：

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三、TVS管工作选型

查各种资料，对上述的关键参数选型建议都比较一致：

VRWM应大于被保护电路的最大工作电压

VC应小于被保护电路的最大耐压

Ppp应大于被保护电路中可能出现的峰值脉冲功率

Ipp应大于被保护电路中可能出现的瞬态浪涌电流

Cj越小越好

VRWM和VC好选，电路中的最大工作电压和引脚的最大耐压都是具体明确的数值，对着数值选即可。Cj也好选，通常在高速信号接口会特别关注Cj，根据上面的选择建议选就好。

那么，对着类似于下面的参数选型表格，Ipp和Ppp到底怎么选呢?理应先确定电路的干扰脉冲情况,根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间,确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率再去选。但是可能出现的峰值脉冲功率和瞬态浪涌电流又是多少呢?这几个参数多少有点让人感觉云里雾里。

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回到开头，我们说到了TVS管主要用于针对静电放电，浪涌的电路保护。如果说TVS管是用来防静电的，用在接口处或产品与用户经常接触的地方如按键，外部通信接口。那么关注的参数就是器件本身的特性参数，如下图所示：

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可以发现厂家其实已经给出了管子能够保护的范围，这样的话就根据产品实际的静电或浪涌测试需求来选择管子，不用非要按照脉冲功率，峰值电流来进行计算，这样还要去弄根据静电标准，EFT，浪涌标准以及功率，这样计算选型实则大大降低了产品开发效率。

如果知道比较准确的浪涌电流Ipp，那么可以利用VC来确定其功率。如果无法确定功率和峰值电流的大概范围，一般来说，满足基本条件(VRWM，VC，Cj)的情况下，选择功率和电流大一些的比较好。

除了关键性能参数，还有极性选择，封装选择等选择依据。

单极性还是双极性：常常会出现这样的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那么单向TVS就足够了。TVS操作方式如下：正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态;反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里情况就不是这样了。应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。

封装：有些通信接口同时需要多根线(2根，4根或更多)，如果使用单个的TVS管就需要并相同数量的管子，占用PCB空间。而选择集成封装(DNF)的TVS管通常有多路，使用较少的器件就可以。

四、总结

TVS设计出来的目的就是为了能够有效的抑制那些非常高的瞬态电压，如静电、浪涌。能够让这些具有破坏性的能量限制在一定水平，从而保护产品。所以可以看出，这些器件的真正意义是为了产品在实际使用中和测试时出现的过压保护。实际做产品的过程中需要考虑的因素太多，无法顾全实现完美设计，考虑最关键的参数，给足余量，参考其他产品以及出货的情况，优化设计，才是工程师要做的事。