瞬态电压抑制二极管 TVS 选型简述

瞬态电压抑制二极管（TVS，Transient Voltage Suppressors）二极管，是一种在传统齐纳二极管工艺基础之上制造的一种电路保护元器件，也被称为 瞬变抑制二极管、瞬态电压抑制器、雪崩击穿二极管 等。其具有单向与双向之分，当两端经受瞬间高能量冲击时，就会以皮秒级别的速度将两端的阻抗值由高阻抗变化为低阻抗，从而将瞬间大电流接地，并把两端的电压箝制在一个预定的数值上，进而确保后级电路不会受到瞬态高压尖峰脉冲的影响。

总而言之，TVS 二极管凭借皮秒级导通速率、大瞬态功率、低漏电流与电容、容易控制的箝位电压、击穿电压偏差小、可靠性高、体积小 等优势，被广泛应用于敏感电路的过压保护当中（特别是 ESD 静电防护）。目前国际市场上比较主流的 TVS 生产制造企业有 美国威世 Vishay、美国力特 Littelfuse、日本安森美 Onsemi、荷兰安世 Nexperia 等厂家，而国内最近几年也涌现出了 乐山无线电 LRC、台州电子 TechPublic 以及国巨旗下的 君耀电子 BrightKing 等比较有实力的供应商。

原理图符号

瞬态电压抑制器（TVS，Transient Voltage Suppressors）狭义上是指雪崩击穿二极管，这是一种二极管形式的高效保护器件，通常采用较大尺寸的 SMA 或者 SMB 封装，结电容比较大，主要运用在防浪涌防护以及电源 ESD 等领域。而广义上的 TVS 是指包含有 TVS 二极管的 ESD 专用防护器件，其原理图符号如下图所示：

单向 & 双向

TVS 二极管可以具体划分为单向和双向两种类型，双向 TVS 主要应用于交流电压电路，而单向 TVS 一般运用于直流电路（使用的时候需要反接在电路当中，这意味着使用的时候需要注意极性。考虑到物料规格的统一，以及采购成本的差异较为细微，双向 TVS 在实际生产环境下使用更为普遍）。

当单向 TVS 二极管被应用于直流电路，在电路正常工作的时候，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响正常工作。但是当电路中出现瞬态电压突变（达到 TVS 的雪崩击穿电压），TVS 二极管就会迅速由高阻态转变为低阻态，将由于异常过压所导致的瞬态电流接入到地平面，同时将这个瞬态电压箝位在一个比较低的水平，进而保护后级电路免遭瞬态电压突变的损坏（瞬态电压突变消失以后，TVS 二极管又会恢复为高阻态）。

伏安特性参数

涉及选型的 TVS 二极管伏安特性参数，主要涉及到 \(V_{RWM}\)、\(I_R\)、\(V_{BR}\)、\(I_{PP}\)、\(V_C\)、\(C_j\) 六个，阅读时请结合如下的伏安特性曲线图：

1. 反向截止电压 \(V_{RWM}\)：不会造成 TVS 二极管损坏的最高峰值电压（如果是交流电压则使用真有效值表示），低于该参数时 TVS 不会导通，设计电路的额定工作电压（5V 或者 3.3V）应当低于这个参数。
2. 反向漏电流 \(I_R\)：当工作在低于反向截止电压 \(V_{RWM}\) 的时候，TVS 所承受的最大反向电流。也就是说如果向 TVS 两端施加电压 \(V_{RWM}\)，此时通过的电流就是 TVS 的漏电流 \(I_R\)。通常情况下，这个参数小于 0.1uA 微安。
3. 击穿电压 \(V_{BR}\)：即 ESD 防护生效的电压，只要超过该参数，TVS 二极管就会击穿导通。导通时间一般不会超过 400 毫秒，避免较大电流损坏元器件。
4. 脉冲峰值电流 \(I_{PP}\)：峰值反向脉冲电流是指 TVS 按照 IEC61000-4-5:2014 或者 GB/T 17626.5-2019 标准，使其工作在规定的 8/20 微秒或 10/1000 微秒的脉冲波形下，此时 TVS 所允许通过的最大峰值电流。也就是达到箝位电压 \(V_C\) 的时候，通过 TVS 二极管的电流，超过该参数会导致 TVS 的损毁。
5. 箝位电压 \(V_C\)：即通过峰值脉冲电流 \(I_{PP}\) 的时候，TVS 两端产生的峰值电压。\(I_{PP}\) 以及 \(V_C\) 这两个参数相互联系，主要用于衡量 TVS 抵抗浪涌脉冲电流以及限制电压的能力。\(I_{PP}\) 越大耐电流冲击能力越强，\(V_C\) 越小说明 TVS 的箝位特性越好。
6. 脉冲峰值功率 \(P_{pp}\)：即 箝位电压 \(V_C\) 与峰值脉冲电流 \(I_{PP}\) 的乘积，超过该参数同样会造成 TVS 二极管的损毁。
7. 结电容 \(C_j\)：即 TVS 当中的寄生电容，高速电路设计过程当中，需要重点关注这个参数，结电容过大会影响到信号的完整性。

本文接下来的内容当中，会对上述一系列的 TVS 二极管选型参数，进行更加详细的说明。

反向截止电压 \(V_{RWM}\)

正常情况下，TVS 二极管应当处于截止状态（没有导通），因此 TVS 的反向截止电压 \(V_{RWM}\) 应当大于被保护电路的工作电压，从而确保 TVS 不会影响被保护电路的正常工作，反向截止电压 \(V_{RWM}\) 的取值可以通过下面的参考公式计算得到：

\[ V_{RWM} = (1.1 \sim 1.2) \times V_{CC} \]

如果 \(V_{RWM}\) 比被保护电路的额定工作电压更大，那么 TVS 二极管的漏电流就会越小。反之，\(V_{RWM}\) 越小，TVS 二极管的箝位电压 \(V_C\) 就会越小，对于后级电路的保护效果会相对更好。

注意：上述公式当中的 \(V_{CC}\) 等于被保护电路的工作电压，例如 12V、5V、3.3V、1.8V 等等。

箝位电压 \(V_C\)

TVS 二极管的箝位电压 \(V_C\)，应当小于被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，否则当 TVS 处于箝位状态的时候，\(V_C\) 会损坏后级的被保护电路:

\[ V_C < V_{max} \]

注意：上述公式当中的 \(V_{max}\) 等于被保护电路所能承受的最高电压。

额定瞬态功率 \(P_{PPM}\)

TVS 二极管的额定瞬态功率 \(P_{PPM}\) 是指发生浪涌的时候，不会被浪涌脉冲电流损毁的功率值。该参数在选型时应当大于电路当中可能出现的最大瞬态浪涌功率，该参数越大，TVS 二极管所能够承受的冲击能量就会越大，但是封装尺寸就会更大，相应的价格也就会越高。

对于箝位电压 \(V_C\) 相同，但是额定瞬态功率 \(P_{PPM}\) 不同的 TVS 二极管，两者最大的区别主要在于能够通过的峰值电流 \(I_{PP}\) 不同，这样 \(P_{PPM}\) 与 \(I_{PP}\) 就会呈正比，此时被保护电路所需通过的真实峰值电流 \(I_{actual}\) 可以通过下面的公式进行计算：

\[ I_{actual} = \frac{U_{actual}}{R_{i}} \]

注意：上述公式当中的 \(U_{actual}\) 为实际测试电压，而 \(R_{i}\) 为测试内阻。

结电容 \(C_j\)

根据被保护电路上信号的通信速率，选择具有恰当结电容 \(C_j\) 参数的 TVS 二极管。下面的表格给出了对于常见通信接口，所推荐的 ESD 防静电结电容大小：

通信接口	推荐结电容 \(C_j\)	通信接口	推荐结电容 \(C_j\)
GPIO	< 30pF	USB 2.0	< 4pF
按键	< 30pF	USB 3.0	< 0.5pF
音频接口	< 10pF	USB 3.1	< 0.3pF
以太网接口	< 4pF	HDMI 1.4	< 0.7pF
天线	< 0.2pF	HDMI 2.0	< 0.3pF

符合 ESD 等级

IEC61000-4-2 是国际电工委员会颁布的电磁兼容性测试标准，与之相对应的国内测试标准是 GB/T 17626.2，生产环境下选择的 TVS 二极管，需要符合 IEC61000-4-2 的 Level4 标准（接触放电与空气放电）：

如果 TVS 二极管数据手册当中，箝位电压 \(V_C\) 测试标准选择的是 IEC61000-4-5，那么测试用的浪涌波形主要有如下两种规格：

• 8/20 us 微秒：指 8 us 达到峰值脉冲电流 \(I_{PP}\) 的 100%，20 us 达到峰值脉冲电流 \(I_{PP}\) 的 50%。
• 10/1000 us 微秒：指 10 us 达到峰值脉冲电流 \(I_{PP}\) 的 100%，1000 us 达到峰值脉冲电流 \(I_{PP}\) 的 50%。

注意：该标准只能确保 TVS 二极管本身，在面对测试电压的时候不会被损坏。而后级被保护电路是否受到影响，还是要取决于当前箝位电压 \(V_C\) 参数的选择。

TLP 脉冲等级

传输线触波产生器（TLP，Transmission Line Pulsing system，）用于测量 TVS 二极管在瞬时高电压情况下的伏安特性曲线，TLP 所释放的脉冲等级，可以与 IEC61000-4-2 测试标准相互对应：

TLP 释放的脉冲等级	IEC61000-4-2 接触放电测试等级
2 A，100 ns	1 kV
4 A，100 ns	2 kV
8 A，100 ns	4 kV
12 A，100 ns	6 kV
16 A，100 ns	8 kV

当两个 TVS 二极管都能够通过 IEC61000-4-2 的 8kV 静电脉冲测试时，TVS 二极管数据手册当中 TLP 曲线（如下图）所对应的箝位电压越低，就代表这款 TVS 的性能越好。我们可以根据被保护电路所能够承受的最大电压，选择 TLP 曲线当中箝位电压适合的 TVS：

注意：TLP 曲线当中的箝位电压是瞬态 100ns 时测试得到的，与 TVS 持续工作时不会损坏的箝位电压会有所区别。

TVS 选型总结

TVS 二极管在使用的时候，通常会反接在被保护电路当中，选型思路可以归纳为如下四个要点：

1. 反向截止电压 \(V_{RWM}\) 要大于被保护电路的正常工作电压（最好高于主控芯片的典型工作电压）。
2. 箝位电压 \(V_C\) 能够有效的保护后级电路（最好低于主控芯片额定工作电压的上限值）。
3. 结电容 \(C_j\) 不能影响后级被保护电路的信号完整性。
4. 额定瞬态功率 \(P_{PPM}\) 充裕，满足测试标准的同时，不能比电路中的保险丝更早损毁。