作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了保護電路、系統(tǒng)和系統(tǒng)用戶，電氣快速瞬變 (EFT) 電壓是設(shè)計人員必須考慮的現(xiàn)實問題。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行和無法運行，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。

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。

從 IEC 標(biāo)準(zhǔn)開始

為了降低 EFT 的風(fēng)險，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)的過壓保護標(biāo)準(zhǔn)：

1. IEC 61000-4-2 涉及系統(tǒng)級 ESD 抗擾度，適用于人體接觸引起的 ESD（圖 1）。對于此波形，上升時間 (tr) 很短，介于 0.7 到 1 ns 之間，大部分能量在前 30 ns 以內(nèi)耗散，然后迅速衰減。因此，需要采用超快反應(yīng)式過壓保護措施，以便及時響應(yīng) ESD 事件。

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。

2. IEC 61000-4-5 涉及對電涌的抗擾度，例如雷擊或開關(guān)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電涌。與功率相對較低的靜電不同，雷擊可能攜帶高達(dá) 1 GJ 的能量，并產(chǎn)生高達(dá) 120 kV 的浪涌電壓。當(dāng)雷擊直接擊中戶外電路并產(chǎn)生浪涌電壓、雷擊間接導(dǎo)致導(dǎo)體中產(chǎn)生浪涌電壓或者雷擊接地電流流動時，都可能引發(fā)瞬變。請注意，盡管 TVS ESD 抑制器不能用來防御直接雷擊，但仍需要使用它們，因為雷擊引發(fā)的瞬變可能會在整個配電系統(tǒng)中蔓延到 1 英里外甚至更遠(yuǎn)。

IEC 61000-4-5 定義了一個典型的雷擊電壓波形（圖 3）。

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）。（圖片來源：Eaton）

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：

• 1 類：部分受保護的環(huán)境
• 2 類：即使是短距離也實現(xiàn)了電纜妥善分離的電氣環(huán)境
• 3 類：電力線和信號線并行布設(shè)的電氣環(huán)境
• 4 類：互連電纜的布線方式像室外電纜一樣與電力線混在一起，而且電纜同時用于電子和電氣回路

| | 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）

3. IEC 61000-4-4 涉及針對 EFT 的保護（圖 5）。EFT 是由感性負(fù)載（例如配電系統(tǒng)中的重型電機、繼電器、開關(guān)接觸器）的運行以及功率因數(shù)校正設(shè)備的接通或斷開引起的。

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）

TVS 設(shè)備解決了這一問題

為了滿足各種要求并保護系統(tǒng)，設(shè)計人員可以使用 TVS 二極管。TVS 二極管是硅過壓保護器件，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）。

圖 7：受保護線路與系統(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具有雙向或者高于和低于接地電壓的信號的電氣節(jié)點。

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 的性能取決于頂級參數(shù)、封裝和布置

TVS 二極管由很多高級規(guī)格定義。其中包括：

• 標(biāo)稱最大反向工作電壓 (V RWM )：也稱為反向斷態(tài)電壓，是指 TVS 二極管進入關(guān)斷狀態(tài)時的最大工作電壓
• 擊穿電壓 (V BR )：TVS 二極管發(fā)生雪崩擊穿并產(chǎn)生低阻抗時的電壓
• 反向漏電流 (I 右 )：TVS 二極管進入反向偏壓狀態(tài)時流經(jīng) TVS 二極管的電流
• 鉗位電壓 (Vc)：TVS 二極管達(dá)到額定峰值脈沖電流 (I PP ) 時的端電壓
• 電容：用來衡量輸入引腳與另一參考點（通常是接地線/地線）之間存儲的電荷的指標(biāo)，一般以 pF 為單位，通常使用 1 MHz 信號進行測量
• 峰值電流 (I PP )：電流波形的最大正振幅與最大負(fù)振幅之差

通常使用一個四步過程來選擇 TVS 二極管：

1. 選擇斷態(tài)電壓高于正常工作電壓的二極管
2. 驗證指定的峰值電流是否超過預(yù)期的峰值電流，并確保指定的二極管能夠在瞬態(tài)事件期間滿足功率要求
3. 計算所選二極管的最大鉗位電壓 (V 化學(xué)發(fā)光 ）
4. 確認(rèn)計算出的 V化學(xué)發(fā)光小于受保護引腳的指定絕對最大額定值

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，二極管應(yīng)盡可能靠近電壓輸入點（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。

TVS 示例說明了產(chǎn)品系列

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。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。

1. SMFE 系列的峰值脈沖功率為 200 W，具有 10/1000 μs 波形。這些器件采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的扁平 SOD-123FL 表面貼裝封裝，尺寸為 2 × 3 × 1.35 mm，可優(yōu)化移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備的電路板空間。

[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。

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）

2. ST 系列可保護一條雙向 I/O 線路，面向 USB 和其他數(shù)據(jù)端口、觸摸板、按鈕、直流電源、RJ-45 連接器和射頻天線。該系列的成員（例如 33 V、12 A IPP的 [STS321120B301]）采用 SOD-323 SMT 微型封裝，尺寸為 1.8 × 1.4 × 1.0 mm，每條線路的額定峰值脈沖功率為 400 W (t 磷 = 8/20 μs)。該系列二極管支持 2.8 V直流到 70 V直流的工作電壓，具有低至 0.15 pF 的超低電容。這些二極管可提供高達(dá) 30 kV 的 ESD 保護（符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)）。
3. AK 系列由高功率 TVS 二極管組成，可提供高達(dá) 10,000 A 的保護能力，專為滿足交流和直流應(yīng)用中的惡劣浪涌測試環(huán)境而設(shè)計。這些二極管的特點是斜率電阻低，并采用快速恢復(fù)技術(shù)實現(xiàn)了出色的鉗位系數(shù)。該系列符合 UL1449 浪涌保護設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，適用于消費類電子設(shè)備、電器、工業(yè)自動化或交流線路保護。（注：斜率電阻或動態(tài)電阻是指當(dāng)施加交流電壓時，二極管所提供的電阻；快速恢復(fù)是一個器件過程，即使在較低電壓下也能繼續(xù)傳導(dǎo)大電流。）

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。

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，并采用通孔軸向引線封裝。（圖片來源：Eaton）

4. SMAJExxH 系列 SMA 尺寸 TVS 二極管的獨特之處在于，它們符合汽車應(yīng)用需要達(dá)到的 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)。這些器件可提供 400 W 的峰值脈沖功率（具有 10/1000 μs 波形），響應(yīng)速度快，從 0 V 到 VBR的響應(yīng)時間通常不到 1.0 ps，10 V 以上的 I右小于 1 μA。

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）。

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）

總結(jié)

靜電、電機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。