作者：Bill Schweber

　　快速瞬态(EFT)电压是设计人员为保护电路、系统和系统用户而必须考虑的现实问题。EFT 的来源有很多，包括由于简单的动作(如走过地毯、启动电机或闪电)引起的普通静电放电 (ESD)，从而导致涟漪效应。从低压电池供电的可穿戴设备到大功率电机系统，这些瞬态干扰会对各类产品造成不利影响。

　　EFT 的影响范围很广，从暂时中断和无法运行，到长期性能下降和彻底的永久性损坏和故障。虽然设计人员可以采取措施减少瞬态电压，如使用防静电外壳、滤波、在源头夹紧或实施额外接地，但这些措施往往需要根据具体应用场景进行修改或升级。

　　为了可靠地减少或消除瞬态电压的有害影响，设计人员可以使用称为瞬态电压抑制(TVS)二极管的双端无源元件。虽然这些二极管通常被视为开路，但当瞬态事件发生时，它们几乎会瞬间做出反应，类似于短路，从而将瞬态过电压分流到地。TVS 二极管响应速度快、耐压能力强、寿命长、电容小。

　　本文将以伊顿公司(Eaton)的各种器件系列和器件为例，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")：

　　1)IEC 61000-4-2涉及系统级静电放电抗扰度，适用于人体接触引起的静电放电(图 1)。对于这种波形，上升时间 (tr) 很短，为 0.7 至 1 纳秒，大部分能量在前 30 纳秒内耗散，之后迅速衰减。因此，需要非常快速的过压保护，以便及时应对 ESD 事件。

　　图 1：根据 IEC 61000-4-2 标准，由人体接触引起的典型 ESD 脉冲波形的上升时间非常短，不到一纳秒，大部分能量在前 30 毫微秒内耗散。(图片来源：伊顿)

　　波形本身并不能说明相关的电压水平。IEC 61000-4-2 规定了各种设备接触放电和空气放电的系统级 ESD 抗扰度测试电压(图 2)。

　　图 2：IEC 61000-4-2 的空气和接触放电级别进一步明确了人体接触的具体要求。(图片来源：伊顿)

　　TVS 二极管的适当选择取决于应用中所需的 ESD 保护级别。请注意，伊顿的所有 TVS 二极管在按照 IEC 61000-4-2 标准进行测试时都具有 4 级最低性能。其他选件可提供更高的静电放电耐受保护，空气放电和接触放电均可达到 30 千伏 (kV)。

　　2)IEC 61000-4-5包括对电涌的抗扰度，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，雷击可包含高达 1 吉焦 (GJ) 的能量，并产生高达 120 千伏的浪涌电压。雷电引起的瞬态电压可能是由于直接雷击户外电路产生浪涌电压、间接雷击在导体中引起浪涌电压或雷电接地电流流造成的。需要注意的是，TVS ESD 抑制器并不是用来防止直接雷击的，但仍然需要使用抑制器，因为这些雷击会将瞬态信号传送到整个配电系统，距离可达 1 英里或更远。

　　IEC 61000-4-5 定义了典型的雷电电压波形(图 3)。

　　图 3：这是 IEC 61000-4-5 规定的雷电脉冲波形(IPP为峰值电流)。(图片来源：伊顿)

　　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等级(图 4)。

　　级别由最终应用确定：

　　第 1 类：受部分保护的环境

　　第 2 类：电缆分隔良好的电气环境，即使是短距离传输也是如此

　　第 3 类：电源线和信号线并行的电气环境

　　第 4 类：电气环境，其互连电缆与电力电缆一起作为室外电缆运行，电缆同时用于电子和电气电路

　　图 4：IEC 61000-4-5 为电涌抗扰度定义了四个测试等级。(图片来源：伊顿)

　　3)IEC 61000-4-4涉及对 EFT 的保护(图 5)。EFT 由电感负载的运行引起，如配电系统中的重型电机、继电器、开关接触器，以及功率因数校正设备的切换。

　　图 5：所示为 IEC 61000-4-4 所描述的 EFT 脉冲波形。(图片来源：伊顿)

　　请注意，EFT 通常只用两个成对的数字来表征：上升到峰值的时间(t1)和瞬态下降到峰值 50%之前的脉冲持续时间(t2)。8/20 微秒 (µs) 瞬态是工业应用中常见的脉冲。

　　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，该标准在工业、军事和航空航天系统中得到广泛应用(图 6)。

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

　　TVS 设备解决问题

　　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。它们与正常电路平行安装，以保护内部元件免受短时(瞬态)和中/高电压的影响(图 7)。

　　图 7：TVS 二极管横跨输入端，置于受保护线路和系统接地之间。(图片来源：伊顿)

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

　　TVS 二极管分为单向或双向 P-N 结器件。尽管名称相同，但大多数单向 TVS 二极管都能抑制两个极性的电压。不同之处在于，单向型 TVS 二极管具有不对称的电压-电流 (V-I) 特性，而双向型 TVS 二极管具有对称的 V-I 特性(图 8)。双向 TVS 二极管非常适合保护具有双向或高于和低于地电压信号的电气节点。

　　图 8：TVS 二极管的名称并不反映任何固有的方向性。相反，单向 TVS 二极管具有不对称的电压-电流 (V-I) 特性，而双向二极管则具有对称的 V-I 特性。(图片来源：伊顿)

　　顶级参数、封装和位置决定了 TVS 的性能

　　TVS 二极管有许多高级规格。其中包括：

　　标称反向工作最大电压 (VRWM)：也称为反向阻抗电压，是 TVS 二极管 "关断 "时的最大工作电压

　　击穿电压 (VBR)：TVS 二极管发生雪崩击穿时产生低阻抗的电压

　　反向漏电流 (IR)：TVS 二极管反向偏置时流过的电流

　　钳位电压 (Vc)：TVS 二极管额定脉冲电流峰值 (Ipp) 时两端的电压

　　电容：输入引脚与另一参考点(通常为地面/大地)之间存储电荷的量度，通常以皮法拉德 (pF) 为单位，通常使用 1 兆赫 (MHz) 信号进行测量

　　峰值电流 (Ipp)：电流波形最大正振幅与最大负振幅之差

　　选择 TVS 二极管通常需要四个步骤：

　　选择截止电压高于正常工作电压的二极管

　　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中处理所需的功率

　　计算所选二极管的最大钳位电压( VCL )

　　确认计算出的VCL小于受保护引脚的指定绝对最大额定值

　　在电路板上放置 TVS 器件对于充分发挥这些器件的性能至关重要。为获得最佳浪涌保护，二极管应尽可能靠近电压入口点(如 I/O 端口)，以尽量减少寄生效应对有效抑制快速瞬态浪涌的影响。

　　TVS 示例说明了产品范围

　　伊顿的TVS 二极管非常适合I/O 接口以及高速数字和模拟信号线路中的过压保护。它们具有极低的钳位电压、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 二极管必须能抵御各种电压和电流。因此，一个额定电压值和其他参数无法满足所有 EFT 情况。来自四个不同家族的例子可以说明这些问题。

　　1)SMFE 系列的峰值脉冲功率为 200 瓦，波形为 10/1000 微秒。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 毫米，优化了移动和可穿戴设备的电路板空间。

　　SMFE5-0A是该系列中的一员(图9)。它的钳位电压为9.2 伏，Ipp为21.7 安培(A)，支持单向或双向使用。工作电压高于10 V 时，反向漏电流小于1 μA，响应时间快，从0 伏到VBR的响应时间通常小于1.0 皮秒(ps)。

　　图 9：SMFE5-0A 9.2 V TVS 二极管采用扁平 SOD-123FL 表面贴装封装，主要针对移动和可穿戴应用。(图片来源：伊顿)

　　2)ST 系列可保护一条双向输入/输出线，针对 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。该系列的产品(如 33 伏、12 AIpp STS321120B301)采用小型 SOD-323 SMT 封装，尺寸为 1.8 × 1.4 × 1.0 毫米，每条线路的额定峰值脉冲功率为 400 瓦(tP= 8/20 μs)。该系列二极管支持 2.8 伏直流 (VDC) 至 70伏直流的工作电压，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)。

　　3) AK 系列由大功率TVS 二极管组成，具有高达10,000 A 的保护能力，专为满足交流和直流应用中恶劣的浪涌测试环境而设计。这些二极管的特点是斜坡电阻低，并且由于采用了快退技术，因此钳位系数极高。它们符合UL1449 浪涌保护装置标准，适用于消费电子、电器、工业自动化或交流线路保护等应用。 (注：斜坡电阻或动态电阻是二极管在施加交流电压时提供的电阻;快返是一种器件过程，即使在较低电压下，大电流也会继续传导)。

　　为满足安培数和 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 夹钳和 6000 AIpp二极管(图 10)。该二极管的引线长 25 毫米，"中心 "体近似正方形，尺寸约为 13 × 15 毫米。

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

　　4)SMAJExxH 系列SMA 尺寸 TVS 二极管的独特之处在于，它们符合汽车应用所需的 AEC-Q101 标准。它们能提供 400 瓦的峰值脉冲功率(波形为 10/1000 μs)，响应时间快，从 0 V 到VBR 的响应时间通常小于 1.0 ps，10 V 以上的红外电流小于 1 μA。

　　该系列器件的电压范围为5 至440 伏，每种器件都有单向和双向版本，其中包括SMAJE22AH，它具有35.5 伏钳位电压和11.3 A Ipp(图11)。该系列的所有器件均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 易燃性等级(图11)。

　　图 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二极管符合 AEC-Q101 所要求的汽车标准;它还使用符合 UL 94 V-0 易燃性等级标准的塑料包装。(图片来源：伊顿)

　　结束语

　　静电、电机启动或附近闪电产生的瞬态电会损坏电子系统及其元件。TVS 二极管几乎能在瞬间响应这些过电压，并将瞬态电压和能量转移到地，从而保护系统。如图所示，伊顿提供各种系列的 TVS 二极管，每个系列由许多额定电压不同的器件组成，以满足预期的瞬态电压量级、终端产品限制和法规要求，同时只需要几平方毫米的电路板面积。