利用瞬态电压抑制二极管加固电路并保持电气完整性

来源：DigiKey
作者：Bill Schweber

为了保护电路、系统和系统用户，电气快速瞬变 (EFT) 电压是设计人员必须考虑的现实问题。EFT 的来源有很多，包括简单动作（例如在地毯上行走）引起的常见静电放电 (ESD)、电机启动或者引发连锁反应的雷击。从低压电池供电的可穿戴设备到高功率电机系统，这些瞬变会对各类产品产生不利影响。

EFT 造成的影响包括暂时中断运行和无法运行，乃至长期性能下降以及彻底的永久性损坏和故障。为了减少电压瞬变，设计人员可以采取一些措施，例如使用防静电外壳、滤波、在源头钳制电压或者进行外加接地，但这些措施往往需要根据具体的应用场景进行修改或升级。

为了可靠地最大限度减少或消除瞬态电压的有害影响，设计人员可以使用被称为瞬态电压抑制 (TVS) 二极管的双端无源元器件。尽管这些二极管通常被视为开路，但当瞬态事件发生时，它们几乎能够瞬间做出反应，并造成类似于短路的效果，从而将瞬态过压转移到大地。TVS 二极管具有响应速度快、耐高压、寿命长、电容低等特点。

本文将以 Eaton Corporation plc (Eaton) 的各种器件和器件系列为例，探讨 TVS 二极管的需求、作用、类型和应用。

从 IEC 标准开始

为了降低 EFT 的风险，国际电工委员会 (IEC) 在 IEC 61000-4（“电磁兼容性 (EMC)：测试和测量技术”）中规定了三种国际公认的过压保护标准：

1) IEC 61000-4-2 涉及系统级 ESD 抗扰度，适用于人体接触引起的 ESD（图 1）。对于此波形，上升时间 (tr) 很短，介于 0.7 到 1 ns 之间，大部分能量在前 30 ns 以内耗散，然后迅速衰减。因此，需要采用超快反应式过压保护措施，以便及时响应 ESD 事件。


图 1：根据 IEC 61000-4-2 标准，由人体接触引起的典型 ESD 脉冲波形表明，上升时间非常短，不到 1 ns，大部分能量在前 30 ns 以内耗散。（图片来源：Eaton）

此波形本身并未表明相关的电压水平。IEC 61000-4-2 规定了各种设备在接触放电和空气放电时的系统级 ESD 抗扰度测试电压（图 2）。


图 2：IEC 61000-4-2 空气放电和接触放电等级进一步明确了人体接触的具体要求。（图片来源：Eaton）

应当根据应用中所需的 ESD 防护等级，选择适当的 TVS 二极管。请注意，当根据 IEC 61000-4-2 标准进行测试时，Eaton 的所有 TVS 二极管都能够至少达到 4 级性能。还有其他具有更高 ESD 耐受能力的选择，能够承受高达 30 kV 的空气放电和接触放电电压。

2) IEC 61000-4-5 涉及对电涌的抗扰度，例如雷击或开关电源系统产生的电涌。与功率相对较低的静电不同，雷击可能携带高达 1 GJ 的能量，并产生高达 120 kV 的浪涌电压。当雷击直接击中户外电路并产生浪涌电压、雷击间接导致导体中产生浪涌电压或者雷击接地电流流动时，都可能引发瞬变。请注意，尽管 TVS ESD 抑制器不能用来防御直接雷击，但仍需要使用它们，因为雷击引发的瞬变可能会在整个配电系统中蔓延到 1 英里外甚至更远。

IEC 61000-4-5 定义了一个典型的雷击电压波形（图 3）。


图 3：这是 IEC 61000-4-5 定义的雷击脉冲波形（IPP 是峰值电流）。（图片来源：Eaton）

IEC 61000-4-5 标准还规定了各类电气/电子设备的浪涌抗扰度测试电压水平（图 4）。

电压水平由终端应用决定：

1 类：部分受保护的环境
2 类：即使是短距离也实现了电缆妥善分离的电气环境
3 类：电力线和信号线并行布设的电气环境
4 类：互连电缆的布线方式像室外电缆一样与电力线混在一起，而且电缆同时用于电子和电气回路


图 4：IEC 61000-4-5 为电涌抗扰度规定了四个测试级别。（图片来源：Eaton）

3) IEC 61000-4-4 涉及针对 EFT 的保护（图 5）。EFT 是由感性负载（例如配电系统中的重型电机、继电器、开关接触器）的运行以及功率因数校正设备的接通或断开引起的。


图 5：IEC 61000-4-4 标准描述的 EFT 脉冲波形。（图片来源：Eaton）

请注意，EFT 的特征通常只体现为两对数字：它们达到峰值的上升时间 (t1) 和瞬变降到 50% 峰值前的脉冲持续时间 (t2)。8/20 µs 瞬变是工业应用中的一种常见脉冲。

电路或系统必须承受的瞬态电压 ESD 的大小取决于应用。MIL-STD-883 规定了三个等级，此标准广泛应用于工业、军事和航空航天系统（图 6）。


图 6：根据 MIL-STD-883 第 3015 号方法，ESD 灵敏度分为三个等级。（图片来源：Eaton）

TVS 设备解决了这一问题

为了满足各种要求并保护系统，设计人员可以使用 TVS 二极管。TVS 二极管是硅过压保护器件，根据二极管雪崩击穿原理工作。这些器件与常规电路平行安装，以保护内部元器件免受短时（瞬态）电压和中高电压的影响（图 7）。


图 7：受保护线路与系统接地线之间横跨输入端的 TVS 二极管。（图片来源：Eaton）

在正常的非瞬态工作状态下，TVS 二极管保持高阻抗，不会干扰流经设备的电源或信号。但当 TVS 二极管的端子受到瞬时高能量冲击时，它会迅速进入低阻抗状态（称为雪崩击穿），以吸收大电流并将电压钳制到安全水平，从而保护下游电路元件。

TVS 二极管以单向或双向 P-N 结器件形式提供。尽管名称是单向，但大多数单向 TVS 二极管也能抑制两个极性的电压。它们的区别在于，单向 TVS 二极管具有非对称电压-电流 (V-I) 特性，而双向 TVS 二极管具有对称 V-I 特性（图 8）。双向 TVS 二极管非常适合保护具有双向或者高于和低于接地电压的信号的电气节点。


图 8：TVS 二极管名称不反映任何固有方向性。而是，单向 TVS 二极管具有非对称电压-电流 (V-I) 特性，而双向二极管具有对称 V-I 特性。（图片来源：Eaton）

TVS 的性能取决于顶级参数、封装和布置

TVS 二极管由很多高级规格定义。其中包括：

· 标称最大反向工作电压 (VRWM)：也称为反向断态电压，是指 TVS 二极管进入关断状态时的最大工作电压
· 击穿电压 (VBR)：TVS 二极管发生雪崩击穿并产生低阻抗时的电压
· 反向漏电流 (IR)：TVS 二极管进入反向偏压状态时流经 TVS 二极管的电流
· 钳位电压 (Vc)：TVS 二极管达到额定峰值脉冲电流 (Ipp) 时的端电压
· 电容：用来衡量输入引脚与另一参考点（通常是接地线/地线）之间存储的电荷的指标，一般以 pF 为单位，通常使用 1 MHz 信号进行测量
· 峰值电流 (Ipp)：电流波形的最大正振幅与最大负振幅之差

通常使用一个四步过程来选择 TVS 二极管：

1、选择断态电压高于正常工作电压的二极管
2、验证指定的峰值电流是否超过预期的峰值电流，并确保指定的二极管能够在瞬态事件期间满足功率要求
3、计算所选二极管的最大钳位电压 (VCL)
4、确认计算出的 VCL 小于受保护引脚的指定绝对最大额定值

TVS 器件在电路板上的布置对于充分发挥这些器件的性能至关重要。为了获得最佳的浪涌保护，二极管应尽可能靠近电压输入点（例如 I/O 端口），以最大限度减少寄生效应对于有效抑制快速瞬态浪涌的影响。

TVS 示例说明了产品系列

Eaton 的 TVS 二极管非常适合为 I/O 接口以及高速数字和模拟信号线提供过压保护。它们具有超低的钳位电压、高峰值功率、高电流耗散和纳秒级响应时间。

TVS 二极管的封装与规格密切相关。提供表面贴装封装和通孔封装，后者具有更高的电压/电流性能。

TVS 二极管必须能够防御各种电压和电流。因此，一个额定电压值和其他参数无法满足所有 EFT 情况的需求。来自四个不同系列的示例说明了这些情况。

1) SMFE 系列的峰值脉冲功率为 200 W，具有 10/1000 µs 波形。这些器件采用行业标准的扁平 SOD-123FL 表面贴装封装，尺寸为 2 × 3 × 1.35 mm，可优化移动设备和可穿戴设备的电路板空间。

SMFE5-0A（图 9）是该系列中的一员。其钳位电压为 9.2 V，Ipp 为 21.7 A，支持单向或双向用例。当工作电压高于 10 V 时，反向漏电流小于 1 μA，响应速度快，从 0 V 到 VBR 的响应时间通常不到 1.0 ps。


图 9：SMFE5-0A 9.2 V TVS 二极管采用扁平 SOD-123FL 表面贴装封装，主要面向移动应用和可穿戴应用。（图片来源：Eaton）

2) ST 系列可保护一条双向 I/O 线路，面向 USB 和其他数据端口、触摸板、按钮、直流电源、RJ-45 连接器和射频天线。该系列的成员（例如 33 V、12 A Ipp 的 STS321120B301）采用 SOD-323 SMT 微型封装，尺寸为 1.8 × 1.4 × 1.0 mm，每条线路的额定峰值脉冲功率为 400 W (tP = 8/20 μs)。该系列二极管支持 2.8 VDC 到 70 VDC 的工作电压，具有低至 0.15 pF 的超低电容。这些二极管可提供高达 30 kV 的 ESD 保护（符合 IEC 61000-4-2 标准）。

3) AK 系列由高功率 TVS 二极管组成，可提供高达 10,000 A 的保护能力，专为满足交流和直流应用中的恶劣浪涌测试环境而设计。这些二极管的特点是斜率电阻低，并采用快速恢复技术实现了出色的钳位系数。该系列符合 UL1449 浪涌保护设备标准，适用于消费类电子设备、电器、工业自动化或交流线路保护。（注：斜率电阻或动态电阻是指当施加交流电压时，二极管所提供的电阻；快速恢复是一个器件过程，即使在较低电压下也能继续传导大电流。）

为了满足电流和 UL 要求，该系列器件采用了与 AK6E-066C 相同的通孔轴向引线封装、120 V 钳位和 6000 A Ipp 二极管（图 10）。此二极管的引线长 25 mm，中心体近似于正方形，尺寸约为 13 × 15 mm。


图 10：AK6E-066C 高功率 120 V TVS 二极管可提供高达 10,000 A 的保护，并采用通孔轴向引线封装。（图片来源：Eaton）

4) SMAJExxH 系列 SMA 尺寸 TVS 二极管的独特之处在于，它们符合汽车应用需要达到的 AEC-Q101 标准。这些器件可提供 400 W 的峰值脉冲功率（具有 10/1000 μs 波形），响应速度快，从 0 V 到 VBR 的响应时间通常不到 1.0 ps，10 V 以上的 IR 小于 1 μA。

该系列器件的电压范围为 5 到 440 V，每种器件都有单向和双向版本，其中包括 SMAJE22AH，它具有 35.5 V 钳位电压和 11.3 A Ipp（图 11）。该系列的所有器件都采用表面贴装塑料封装，（最大）尺寸为 3.0 × 4.65 × 2.44 mm，符合 UL 94 V-0 阻燃等级（图 11）。


图 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二极管符合 AEC-Q101 规定的汽车标准；它还采用了符合 UL 94 V-0 阻燃等级标准的塑料封装。（图片来源：Eaton）

总结

静电、电机启动或附近的雷击产生的电气瞬变可能会导致电子系统及其元器件损坏。TVS 二极管几乎能够瞬间响应这些过电压，并将瞬态电压和能量转移到大地，从而保护系统。如图所示，Eaton 提供了多个系列的 TVS 二极管，每个系列由很多具有不同额定电压的器件组成，以满足预期的瞬态电压幅度、最终产品限制和法规要求，同时只需几平方毫米的电路板空间。