社交电子 嵌入式硬件 【设计规范】TVS管如何选型/浪涌静电防护

        TVS管作为浪涌静电防护的主力选手，人们往往只看TVS的电压进行选型，这是显然错误的，下面先回顾TVS的相关概念，再对选型与浪涌防护做具体分析。

 一、什么是TVS

        TVS管在电路当中与被保护线路并联，，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作，一旦瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS管便发生雪崩效应，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而使得被保护器件或设备避免受到损毁，当过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

二、TVS管的相关参数

        最高工作电压Vrwm：TVS的截止电压，可连续施加而不会引起TVS管劣化或损坏的最大的直流电压或交流峰值电压；

        漏电流Ir：待机电流，在规定温度和最高工作压条件下，流过TVS管的最大电流；

        峰值脉冲电流Ipp：在10/1000μs电流波形的峰值；

        钳位电压Vc: 施加规定波形的峰值脉冲电流IPP时，TVS管两端测得的峰值电压；

        最大峰值脉冲功耗PM：是最大峰值脉冲电流IPP与箝位电压VC的乘积；

        击穿电压Vbr：在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS管两端的电压；

        结电容CI：在数据接口或通信线路中的防护，要重点关注TVS管的结电容值；

        下图为单向TVS二极管的伏安特性曲线：

        下图为双向TVS管的伏安特性曲线：

 三、使用电路

在实际使用中，TVS管一般接在靠近电源输入端（具体场景具体分析），和TVS同时出现的还有电容、压敏电阻MOV等，共同构成输入端的保护电路。

        下图为MOV和TVS构成的独立的DC-DC电源防浪涌冲击、防静电保护电路。这里压敏电阻和TVS两者的作用相似，将电压钳位在安全范围内，但压敏电阻残留电压较大，后级的TVS管可吸收和卸放残留电压确保电路中元器件不被损坏，电容可以减少输出电压纹波，起到一定的过电压冲击防护作用。

        常见TVS防浪涌电路使用TVS管与多电容并联的形式，这里的电容起到减少电压纹波、滤波作用，可在出现瞬态高电压时吸收一定电压尖峰，作为储能器件减缓对后级电路的冲击。

四、选型规则

1、TVS管的最高工作电压应大于被保护电路的最高工作电压

        在电路正常工作情况下，TVS 应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的最高工作电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。

        例如某机器使用5V供电，这里需选用5V以上的TVS管，选取的电压值并非越高越好，其原因在于同功率的条件下，钳位电压越低、峰值脉冲电流越大，则可承受的浪涌电压越大，而TVS管的钳位电压随截至电压的增大而增大，如在同功率条件下，TVS管由5V更换为6V后，承受浪涌电压的能力会略有减小。

        下表列出同功率SMBJ5.0A与SMBJ6.0A主要参数对比：

击穿电压（V） 漏电流（uA） 最大箝位电压（V） 峰值脉冲电流（A） SMBJ5.0A 6.4-7.25 800 9.2 65.2 SMBJ6.0A 6.67-7.67 800 10.3 58.3

2、TVS管的最大钳位电压应小于被保护电路可承受的最高瞬态电压

        钳位电压的高低决定了对后级电路的保护范围，当有瞬时电压使TVS管便发生雪崩效应时，TVS管提供给瞬时电流一个超低电阻通路，同时把异常高压箝制在一定范围，如果钳位电压大于后级电路的最高工作电压，此时后级电路的实际电压可能高于最高工作电压，易损坏。

3、TVS管的额定瞬态功率应大于最大浪涌瞬态功率

        估算等式：Pppm=Vc＊Ipp；

4、评估漏电流和结电容的影响

        在高速IO端口防护、模拟信号采样、数据接口、通信线路防护、低功耗设备场合，需要考虑漏电和结电容的影响；

5、TVS管双向与单向的选择

        这里给出以下区别及建议：

        1) 直流中常用单向，交流中用双向；

        2) 单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联；

        3) 极间电容Cj单向的比双向的大。

        4) 电流曲线不同。单方向的TVS管的电路符号与普通的稳压管相同，其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。双向二极管正反向都是典型的PN结雪崩器件。

        5)双向TVS的正反电气特性不一定完全相同，在使用中需查看技术手册确定，若正反向电器特性不同，仍需注意焊接时双向TVS管的正反。

五、防护建议

1、兼顾TVS工作电压与钳位电压

        上文提到TVS的截至电压与钳位电压正相关，最高工作电压亦是如此，选型时希望工作电压高而钳位电压低，在实际使用中选择合适工作电压的TVS管后，多见后级电路电源IC损坏而TVS未短路，此时不能单纯更换更低工作电压与钳位电压的TVS管解决，一旦TVS在后级电路正常工作电压在被击穿，将产生分流影响后级电路正常工作，应兼顾好两参数的选择。

        可在TVS后并联大容值电容来分担电压防护压力，电容可吸收一定的电压尖峰以降低TVS所钳位的电压值，以此起到对保护作用、提高电路抗浪涌能力。

2、旁路电容的选则

        旁路电容应选取大封装以提高耐压值上限并且便于后期容值等参数方案更改；PCB布局允许下优先选择电解电容；

        因电路主要防护浪涌电压，瞬间电压值与能量较大，TVS可承受电压远大于贴片电容，应将电容放在TVS之后，使得浪涌先经过TVS，防止电容损坏。

        电容容值越高，吸收电压尖峰的能力越强，而容值选取不可过大，否则可能出现后级电路启动不良等问题，一般选取22uf，最佳容值应通过实测选取。

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