TVS瞬态抑制二极管选型

TVS 核心瞬态特性

截止电压 ($V_{\mathrm{R}\mathrm{W}\mathrm{M}}$)	TVS 保持高阻态的最大连续直流工作电压
击穿电压 ($V_{\mathrm{B}\mathrm{R}}$)	测试漏电流达 $I_{\mathrm{T}}=1\mathrm{m}\mathrm{A}$ 时的反向电压起始点
钳位电压 ($V_{\mathrm{C}}$)	通过最大脉冲峰值电流 $I_{\mathrm{P}\mathrm{P}}$ 时的两端最大残压
寄生结电容 ($C_{\mathrm{J}}$)	决定其是否能用于高速差分信号的物理指标

TVS 瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）是一种基于雪崩击穿效应的高效能过压保护器件。当其两端遭受瞬态高压（如 ESD 或雷击浪涌）冲击时，阻抗能在皮秒（$\mathrm{p}\mathrm{s}$）级内骤降，通过将大电流泄放到地，把后级敏感电路的两端电压钳制在安全阈值以内。

1. 核心电学参数选型对齐

在查阅器件数据手册（Datasheet）时，必须严格满足以下数学约束：

① 反向截止电压 ($V_{\mathrm{R}\mathrm{W}\mathrm{M}}$)

• 定义：TVS 的最大连续直流工作电压，此时反向漏电流 $I_{\mathrm{R}}$ 处于微安（$\mathrm{\mu }\mathrm{A}$）级。
• 选型原则：必须满足 $V_{\mathrm{R}\mathrm{W}\mathrm{M}}\ge V_{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{\_}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$（电路的最高工作电压）。例如 $5\mathrm{V}$ 的电源轨，应选择 $V_{\mathrm{R}\mathrm{W}\mathrm{M}}\ge 5.0\mathrm{V}$，防止正常信号触发 TVS 导通导致误动作或过热。

② 反向击穿电压 ($V_{\mathrm{B}\mathrm{R}}$)

• 定义：TVS 流过指定测试电流 $I_{\mathrm{T}}$（通常为 $1\mathrm{m}\mathrm{A}$）时的反向电压，标志着雪崩击穿的开始。
• 数学关系：$V_{\mathrm{B}\mathrm{R}}>V_{\mathrm{R}\mathrm{W}\mathrm{M}}$，生产商公差通常为 $\pm 5\mathrm{\%}$。

③ 最大钳位电压 ($V_{\mathrm{C}}$)

• 定义：在特定波形（如 $8/20\mathrm{\mu }\mathrm{s}$ 浪涌脉冲）下，流过最大脉冲峰值电流 $I_{\mathrm{P}\mathrm{P}}$ 时，TVS 两端表现出的最大残压。
• 选型原则：必须满足 $V_{\mathrm{C}}<V_{\mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{S}\mathrm{\_}\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}$（后级被保护 IC 的绝对最大耐压极限）。这是决定保护是否成功的核心指标。

④ 峰值脉冲功率 ($P_{\mathrm{P}\mathrm{P}}$)

• 计算公式：

$P_{\mathrm{P}\mathrm{P}}=V_{\mathrm{C}}\times I_{\mathrm{P}\mathrm{P}}$

• 对于系统级静电保护（IEC 61000-4-2），通常选用 $200\mathrm{W}\sim 400\mathrm{W}$（$10/1000\mathrm{\mu }\mathrm{s}$ 波形）的微型封装；对于雷击浪涌（IEC 61000-4-5），则需要几百瓦至数千瓦的大功率器件。

⑤ 寄生结电容 ($C_{\mathrm{J}}$)

• 选型原则：对于高速差分信号（如 USB 3.0, HDMI, 千兆以太网），高结电容会严重衰减高频信号并破坏信号完整性，导致眼图闭合。
• 量化指标：
  • 电源线与低速 I/O：无特殊限制（可达 $\mathrm{n}\mathrm{F}$ 级）。
  • 高速数据线（$\le 480\mathrm{M}\mathrm{b}\mathrm{p}\mathrm{s}$）：要求 $C_{\mathrm{J}}<3\mathrm{p}\mathrm{F}$。
  • 超高速数据线（$\ge 5\mathrm{G}\mathrm{b}\mathrm{p}\mathrm{s}$）：必须选择超低容（Ultra-low Cap）的 静电保护阵列 (ESD Array)，要求 $C_{\mathrm{J}}<0.5\mathrm{p}\mathrm{F}$。

2. 单向与双向 TVS 的选择

• 单向 TVS（Unidirectional）：正向具有类似普通二极管的整流特性，反向为雪崩击穿。
  • 应用场景：仅用于直流电源轨（如 $V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$, $V_{\mathrm{D}\mathrm{D}}$）或纯正极性的单极性信号线。
• 双向 TVS（Bidirectional）：正反两个方向具有对称的雪崩击穿伏安特性。
  • 应用场景：必须用于交流输入端或双极性差分信号线（如 CAN 总线、RS-485、音频接口），否则信号的负半周会被正向导通直接钳位接地。

3. 典型接口选型实例速查

典型接口	工作电压	信号类型	推荐 TVS 方向	寄生电容要求 ($C_{\mathrm{J}}$)	推荐 $V_{\mathrm{R}\mathrm{W}\mathrm{M}}$
DC 12V 供电	$12\mathrm{V}$	直流电源	单向	无限制	$13\mathrm{V}\sim 15\mathrm{V}$
USB 2.0 (D+/D-)	$3.3\mathrm{V}$	$480\mathrm{M}\mathrm{b}\mathrm{p}\mathrm{s}$ 信号	双向	$<3\mathrm{p}\mathrm{F}$	$5\mathrm{V}$
HDMI 2.0 时钟/数据	$3.3\mathrm{V}$	高速差分	双向/单向	超低容 $<0.5\mathrm{p}\mathrm{F}$	$3.3\mathrm{V}$
CAN 总线 (CAN_H/L)	$-27\mathrm{V}\sim +40\mathrm{V}$（耐受）	$1\mathrm{M}\mathrm{b}\mathrm{p}\mathrm{s}$ 工业总线	双向	$<30\mathrm{p}\mathrm{F}$	$24\mathrm{V}$

4. PCB 布局布线规范与整改避坑

1. 严格遵循“先防护、后滤波、再入芯片”的拓扑走线：

   静电或浪涌脉冲必须首先经过 TVS，将其泄放掉之后，残余的波形才能流向后级系统。严禁将 TVS 挂在长引线的支路上。

2. 消除引线寄生电感（$L\cdot \frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t}$ 效应）：

   由于静电放电的上升时间 $t_{\mathrm{r}}$ 仅为 $0.7\sim 1\mathrm{n}\mathrm{s}$，$\frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t}$ 极大。即使几毫米的 PCB 走线或过孔产生的微亨级寄生电感 $L$，都会感应出数百伏的瞬态过压。

   实战策略：TVS 应尽可能紧贴连接器（Connector）引脚放置，且避开使用过孔搭接。

3. 退耦串联电阻配合法：

   若选型受限，导致 TVS 的最小残压 $V_{\mathrm{C}}$ 依然略高于后级 IC 的最大耐压，可在 “TVS 后级与 IC 前级之间” 串联一颗阻值为 $2.2\Omega \sim 10\Omega$ 的小电阻或高频磁珠。利用阻抗失配进行瞬态分压，可成倍提升抗静电及浪涌的裕量。

参见

• 静电放电 (ESD)
• 静电保护阵列 (ESD Array)
• 浪涌测试标准
• PCB布局布线规范
• 元器件降额规范 (Derating Standards)