TVS（瞬间电压抑制器）

1、原理

TVS二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便产生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流透过二极管被引开，避开被保护元件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回覆高阻状态，整个回路进入正常电压。许多元件在承受多次冲击后，其参数及性能会产生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会产生损坏或退化。

2、参数

reverse stand-off voltage （Vrwm）反向关断电压

V< Vrwm 加于TVS的两极间时，TVS处于反向切断状态。此时TVS呈高阻，电压从用电电路流过。

MAX（MIN）breakdown voltage（Vbr max，Vbr min）最大最小击穿电压

当电压高于此值后，TVS发生雪崩击穿；瞬间为系统提供一个低阻旁路，将突变的电压“引”走。击穿后，TVS开始发生旁路作用，开始提供低阻回路。

MAX clamping voltage (Vc)最大钳位电压

根据过流不同，TVS会把电压锁在不同的Vc上；但是TVS的过流能力也会有一个极限，当电流大到一定程度，就达到它的最大钳位电压，即Vc-max。

reverse leakage current（Ir)反向漏电流@Vrwm

Peak Pulse Current of on 10/1000us waveform（Ipp）在规定时间内的峰值电流

 

 

一般的有：

1）按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把Vbr分为5％和10％两种。对于5％的Vbr来说，Vwm =0.85Vbr；对于10％的Vbr来说，Vwm =0.81VBR。

2）此外，有Vc=Kc×Vbr。Kc叫做钳位因子，一般在1.2~1.4之间，计算多代入为1.3。

 

3、使用注意

①TVS额定反向关断电压Vwm应大于或等于被保护电路的最大工作电压。保证在正常工作电压时，TVS能保持在高阻状态。

②TVS的最大箝位电压Vc-MAX应小于被保护电路的rating。

③在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗Power-Max必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

④对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。

⑤交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。

在选择 TVS 二极管时，必须注意以下几个参数的选择：

1. 最小击穿电压VBR 和击穿电流IR。VBR 是TVS 最小的击穿电压，在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS 流过规定的1mA 电流(IR)时，加于TVS 两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10%的VBR 来说，VWM=0.81VBR。为了满足IEC61000-4-2 国际标准，TVS 二极管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的ESD 冲击。

2. 最大反向漏电流ID 和额定反向关断电压VWM。VWM 这是二极管在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，否则二极管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保护回路的正常工作压接近，这样才不会在TVS 工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向关断电压VWM 加于TVS 的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

3. 最大箝位电压VC 和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS 的脉冲峰值电流IPP 流过TVS 时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP 反映了TVS 的浪涌抑制能力。VC 与VBR 之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4 之间。VC 是二极管在截止状态提供的电压，也就是在ESD 冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损伤的危险。

4. Pppm 额定脉冲功率，这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。对于手持设备，一般来说500W的TVS 就足够了。最大峰值脉冲功耗PM 是TVS 能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM 越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PM 下，箝位电压VC 越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS 所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。

5. 电容量C。电容量C 是由TVS 雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz 频率下测得的。C 的大小与TVS 的电流承受能力成正比，C 太大将使信号衰减。因此，C 是数据接口电路选用TVS 的重要参数。电容对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。

PCB 设计时的考虑

PCB layout 对防静电影响重大，所以必须在layout 前就得考虑ESD 防护问题，而不是在板子出来
后才加以修正。加TVS diode 绝对是简单而实用的防ESD 方式，但它还是需要在画线路图时就选好具
体料号或封装，并在PCB 上留好位置，一旦在测试当中没办法通过时就可以把它加上再测，当然，如果
不加TVS 也能通过那就更好了。如果没留位置且测试通不过，这是件麻烦事。TVS 应用时需要考虑
layout，需要考虑泄放路径的最短化，再好的TVS 如果layout 不好，它同样没办法起到防ESD 的作用。
不管选择怎样的TVS 器件，它们在电路板上的布局非常重要。TVS 布局前的导线长度应该减到最小，
因为快速(0.7ns)ESD 放电电流在电感性布线上感应出很高的电压尖峰，影响ESD 保护的性能。
另外，快速 ESD 脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由于将
不会得到保护，因为感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC 的路径。因此，被保护的输入线不应该
被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的ESD 抑制器件PCB 布局方案应该是：应尽可能的
滤除所有的I/O 口的干扰信号，靠近连接器/触点PCB 侧。图一是PCB 布局的建议.
走线时，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰；输入输
出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。图二是布线时的优化建议。
对于便携式设备来说，各类集成电路的复杂性和精密度的提高使它们对ESD 也更加敏感，以往的通用
回路设计也不再适合。合理的PCB 布局最重要的是要在使用TVS 二极管保护ESD 损害的同时避免自
感。ESD 设计很可能会在回路中引起寄生自感，会对回路有强大的电压冲击，导致超出IC 的承受极限
而造成损坏。负载产生的自感电压与电源变化强度成正比，ESD 冲击的瞬变特征易于诱发高强自感。
减小寄生自感的基本原则是尽可能缩短分流回路，必须考虑到包括接地回路、TVS 和被保护线路之间
的回路，以及由接口到TVS 的通路等所有因素。所以，TVS 器件应与接口尽量接近（直接就近泻放
ESD 干扰，避免串入后续电路），与被保护线路尽量接近（画版时原则上要靠近被保护的芯片），这
样才会减少自感耦合到其它邻近线路上的机会。
在电路板设计中还应注意以下几点：
1． 避免在保护线路附近走比较关键的信号线；
2． 尽量将接口安排在同一个边上；
3． 避免被保护回路和未实施保护的回路并联；
4． 各类信号线及其馈线所形成的回路所环绕面积要尽量小，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置；
5． 将接口信号线路和接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其它部分；
6． 将复位、中断、控制信号远离输入/输出口，远离PCB 的边缘；
7． 在可能的地方都加入接地点；
8． 采用高集成度器件，二极管阵列不但可以大大节约线路板上的空间，而且减少了由于回路复杂可能
诱发的寄生性线路自感的影响。
ESD 分析：
1. 传导路径：在传导入口放ESD diode 就近泄放解决该ESD 干扰（最佳方案）。
2. 失效分析：因为ESD 路径的难确定性，干脆就不去猜它到底是怎么传导的，而是直接去看那些被干
扰到的IC。打静电后，IC 不会死而只是重起，那该是控制这些IC 的控制脚电位被改变了，是不是可以
看这些IC 有EN 脚吗，电源有问题不？试着用示波器去看看静电从外壳传导到这些pin 脚后实际残留的
波形，这更方便我们分析。然后在干扰的pin 脚处放ESD diode 保护该IC.