電路設(shè)計(jì)過程中如何選擇 TVS 二極管？

為了保護(hù)電路、系統(tǒng)和系統(tǒng)用戶，電氣快速瞬變 (EFT) 電壓是設(shè)計(jì)人員必須考慮的現(xiàn)實(shí)問題。EFT 的來源有很多，包括簡單動作(例如在地毯上行走)引起的常見靜電放電 (ESD)、電機(jī)啟動或者引發(fā)連鎖反應(yīng)的雷擊。從低壓電池供電的可穿戴設(shè)備到高功率電機(jī)系統(tǒng)，這些瞬變會對各類產(chǎn)品產(chǎn)生不利影響。

EFT 造成的影響包括暫時中斷運(yùn)行和無法運(yùn)行，乃至長期性能下降以及徹底的永久性損壞和故障。為了減少電壓瞬變，設(shè)計(jì)人員可以采取一些措施，例如使用防靜電外殼、濾波、在源頭鉗制電壓或者進(jìn)行外加接地，但這些措施往往需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景進(jìn)行修改或升級。

為了可靠地最大限度減少或消除瞬態(tài)電壓的有害影響，設(shè)計(jì)人員可以使用被稱為瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管的雙端無源元器件。盡管這些二極管通常被視為開路，但當(dāng)瞬態(tài)事件發(fā)生時，它們幾乎能夠瞬間做出反應(yīng)，并造成類似于短路的效果，從而將瞬態(tài)過壓轉(zhuǎn)移到大地。TVS 二極管具有響應(yīng)速度快、耐高壓、壽命長、電容低等特點(diǎn)。

本文將以 [Eaton Corporation plc] (Eaton) 的各種器件和器件系列為例，探討 TVS 二極管的需求、作用、類型和應(yīng)用。

為了降低 EFT 的風(fēng)險(xiǎn)，國際電工委員會 (IEC) 在 IEC 61000-4(“電磁兼容性 (EMC)：測試和測量技術(shù)”)中規(guī)定了三種國際公認(rèn)的過壓保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：

人體接觸引起的典型 ESD 脈沖波形圖表

圖 1：根據(jù) IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)，由人體接觸引起的典型 ESD 脈沖波形表明，上升時間非常短，不到 1 ns，大部分能量在前 30 ns 以內(nèi)耗散。(圖片來源：Eaton)

此波形本身并未表明相關(guān)的電壓水平。IEC 61000-4-2 規(guī)定了各種設(shè)備在接觸放電和空氣放電時的系統(tǒng)級 ESD 抗擾度測試電壓(圖 2)。

| | IEC 61000-4-2 等級 | 接觸放電 | 空氣放電 | | -------------------- | ---------- | ---------- | | 1 級 | 2 kV | 2 kV | | 2 級 | 4 kV | 4 kV | | 3 級 | 6 kV | 8 kV | | 4 級 | 8 kV | 15 kV |

圖 2：IEC 61000-4-2 空氣放電和接觸放電等級進(jìn)一步明確了人體接觸的具體要求。(圖片來源：Eaton)

應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用中所需的 ESD 防護(hù)等級，選擇適當(dāng)?shù)?TVS 二極管。請注意，當(dāng)根據(jù) IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試時，Eaton 的所有 TVS 二極管都能夠至少達(dá)到 4 級性能。還有其他具有更高 ESD 耐受能力的選擇，能夠承受高達(dá) 30 kV 的空氣放電和接觸放電電壓。

IEC 61000-4-5 定義了一個典型的雷擊電壓波形(圖 3)。

IEC 61000-4-5 定義的雷擊脈沖波形圖片

圖 3：這是 IEC 61000-4-5 定義的雷擊脈沖波形(I

聚丙烯

是峰值電流)。

IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了各類電氣/電子設(shè)備的浪涌抗擾度測試電壓水平(圖 4)。

電壓水平由終端應(yīng)用決定：

| | IEC 61000-4-5 浪涌測試級別 | | ---------------------------- | | 分類 | 電壓水平 (kV) | 2 Ω 時的最大峰值電流 (A) | | 1 | 0.5 | 250 | | 2 | 1 | 500 | | 3 | 2 | 1,000 | | 4 | 4 | 2,000 | | X | 定制 | 定制 |

圖 4：IEC 61000-4-5 為電涌抗擾度規(guī)定了四個測試級別。(圖片來源：Eaton)

IEC 61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)描述的 EFT 脈沖波形圖片

圖 5：IEC 61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)描述的 EFT 脈沖波形。(圖片來源：Eaton)

請注意，EFT 的特征通常只體現(xiàn)為兩對數(shù)字：它們達(dá)到峰值的上升時間 (t 1 ) 和瞬變降到 50% 峰值前的脈沖持續(xù)時間 (t 2 )。8/20 μs 瞬變是工業(yè)應(yīng)用中的一種常見脈沖。

電路或系統(tǒng)必須承受的瞬態(tài)電壓 ESD 的大小取決于應(yīng)用。MIL-STD-883 規(guī)定了三個等級，此標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事和航空航天系統(tǒng)(圖 6)。

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

圖 6：根據(jù) MIL-STD-883 第 3015 號方法，ESD 靈敏度分為三個等級。(圖片來源：Eaton)

為了滿足各種要求并保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以使用 TVS 二極管。TVS 二極管是硅過壓保護(hù)器件，根據(jù)二極管雪崩擊穿原理工作。這些器件與常規(guī)電路平行安裝，以保護(hù)內(nèi)部元器件免受短時(瞬態(tài))電壓和中高電壓的影響(圖 7)。

橫跨輸入端的 TVS 二極管示意圖

圖 7：受保護(hù)線路與系統(tǒng)接地線之間橫跨輸入端的 TVS 二極管。(圖片來源：Eaton)

在正常的非瞬態(tài)工作狀態(tài)下，TVS 二極管保持高阻抗，不會干擾流經(jīng)設(shè)備的電源或信號。但當(dāng) TVS 二極管的端子受到瞬時高能量沖擊時，它會迅速進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)(稱為雪崩擊穿)，以吸收大電流并將電壓鉗制到安全水平，從而保護(hù)下游電路元件。

TVS 二極管以單向或雙向 P-N 結(jié)器件形式提供。盡管名稱是單向，但大多數(shù)單向 TVS 二極管也能抑制兩個極性的電壓。它們的區(qū)別在于，單向 TVS 二極管具有非對稱電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向 TVS 二極管具有對稱 V-I 特性(圖 8)。雙向 TVS 二極管非常適合保護(hù)具有雙向或者高于和低于接地電壓的信號的電氣節(jié)點(diǎn)。

TVS 二極管名稱不反映任何固有方向性的示意圖

圖 8：TVS 二極管名稱不反映任何固有方向性。而是，單向 TVS 二極管具有非對稱電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向二極管具有對稱 V-I 特性。(圖片來源：Eaton)

TVS 二極管由很多高級規(guī)格定義。其中包括：

通常使用一個四步過程來選擇 TVS 二極管：

TVS 器件在電路板上的布置對于充分發(fā)揮這些器件的性能至關(guān)重要。為了獲得最佳的浪涌保護(hù)，二極管應(yīng)盡可能靠近電壓輸入點(diǎn)(例如 I/O 端口)，以最大限度減少寄生效應(yīng)對于有效抑制快速瞬態(tài)浪涌的影響。

Eaton 的 TVS 二極管非常適合為 I/O 接口以及高速數(shù)字和模擬信號線提供過壓保護(hù)。它們具有超低的鉗位電壓、高峰值功率、高電流耗散和納秒級響應(yīng)時間。

TVS 二極管的封裝與規(guī)格密切相關(guān)。提供表面貼裝封裝和通孔封裝，后者具有更高的電壓/電流性能。

TVS 二極管必須能夠防御各種電壓和電流。因此，一個額定電壓值和其他參數(shù)無法滿足所有 EFT 情況的需求。來自四個不同系列的示例說明了這些情況。

[SMFE5-0A](圖 9)是該系列中的一員。其鉗位電壓為 9.2 V，IPP為 21.7 A，支持單向或雙向用例。當(dāng)工作電壓高于 10 V 時，反向漏電流小于 1 μA，響應(yīng)速度快，從 0 V 到 VBR的響應(yīng)時間通常不到 1.0 ps。

Eaton SMFE5-0A 9.2 V TVS 二極管的圖片

圖 9：SMFE5-0A 9.2 V TVS 二極管采用扁平 SOD-123FL 表面貼裝封裝，主要面向移動應(yīng)用和可穿戴應(yīng)用。(圖片來源：Eaton)

為了滿足電流和 UL 要求，該系列器件采用了與 [AK6E-066C]相同的通孔軸向引線封裝、120 V 鉗位和 6000 A IPP二極管(圖 10)。此二極管的引線長 25 mm，中心體近似于正方形，尺寸約為 13 × 15 mm。

Eaton AK6E-066C 高功率 120 V TVS 二極管的圖片

圖 10：AK6E-066C 高功率 120 V TVS 二極管可提供高達(dá) 10,000 A 的保護(hù)，并采用通孔軸向引線封裝。(圖片來源：Eaton)

該系列器件的電壓范圍為 5 到 440 V，每種器件都有單向和雙向版本，其中包括 [SMAJE22AH]，它具有 35.5 V 鉗位電壓和 11.3 A I PP (圖 11)。該系列的所有器件都采用表面貼裝塑料封裝，(最大)尺寸為 3.0 × 4.65 × 2.44 mm，符合 UL 94 V-0 阻燃等級(圖 11)。

Eaton SMAJE22AH 35.5 V TVS 二極管的圖片

圖 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二極管符合 AEC-Q101 規(guī)定的汽車標(biāo)準(zhǔn);它還采用了符合 UL 94 V-0 阻燃等級標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝。(圖片來源：Eaton)

靜電、電機(jī)啟動或附近的雷擊產(chǎn)生的電氣瞬變可能會導(dǎo)致電子系統(tǒng)及其元器件損壞。TVS 二極管幾乎能夠瞬間響應(yīng)這些過電壓，并將瞬態(tài)電壓和能量轉(zhuǎn)移到大地，從而保護(hù)系統(tǒng)。如圖所示，Eaton 提供了多個系列的 TVS 二極管，每個系列由很多具有不同額定電壓的器件組成，以滿足預(yù)期的瞬態(tài)電壓幅度、最終產(chǎn)品限制和法規(guī)要求，同時只需幾平方毫米的電路板空間。