TVS(Transient Voltage Suppressor,瞬態電壓抑制二極管)是電路設計中用于防護靜電(ESD)、浪涌等瞬態過壓的核心器件。其選型直接關系到電路的可靠性與穩定性。本文基于芯碩等主流品牌的產品特性,TVS管的主要參數及選型要點。
一、 TVS管的主要參數
- 反向截止電壓(VRWM 或 VBR):這是TVS管正常工作時可承受的最大持續電壓。選型時必須確保VRWM略高于被保護線路的最大正常工作電壓,以避免誤動作,同時又不能過高以致削弱保護效果。
- 擊穿電壓(VBR):TVS管開始發生雪崩擊穿、電流顯著增大的電壓點。通常VBR比VRWM高約10%。
- 最大鉗位電壓(VC或VCL):當承受規定峰值脈沖電流(IPP)時,TVS管兩端呈現的最大電壓。這是保護后施加在被保護器件上的實際電壓,必須低于被保護器件的最大耐受電壓。
- 峰值脈沖電流(IPP):TVS管能夠安全耗散的最大瞬態脈沖電流。該參數需根據可能面臨的浪涌沖擊能量(如IEC 61000-4-5標準)來選擇。
- 額定脈沖功率(PPPM):基于特定波形(如10/1000μs)下,TVS管能承受的最大瞬態功率,是VC和IPP的乘積。常見等級有400W、600W、1500W、5000W等。
- 漏電流(IR):在VRWM電壓下流過的最大電流。對低功耗電路,需選擇IR小的TVS管。
- 結電容(Cj):對于高速數據線(如USB、HDMI、以太網)的ESD保護,結電容必須足夠小(通常要求小于1pF甚至0.5pF),以避免信號完整性惡化。
- 響應時間:TVS管的響應速度極快,通常為皮秒(ps)級,遠快于其他過壓保護器件。
二、 TVS管選型步驟
- 確定被保護信號的性質:
- 電壓:確定線路的正常工作電壓(Vop)和最大允許電壓。
- 速度/頻率:高頻信號必須選擇低結電容型號。
- 接口類型:電源端口、低速數字IO、高速數據線、射頻天線等,保護需求側重點不同。
- 選擇VRWM:VRWM ≥ 1.1 × Vop(或根據規格書建議),確保在正常電壓下完全關斷。
- 確定鉗位電壓VC:在預期的最大浪涌電流(IPP)下,VC必須小于被保護芯片或器件的最大耐受電壓(通常為絕對最大額定值)。留有足夠余量。
- 評估浪涌等級與選擇IPP/PPPM:根據產品需要滿足的浪涌測試標準(如IEC 61000-4-2 for ESD, IEC 61000-4-5 for Lightning/Surge),確定測試等級對應的峰值電流,選擇IPP和PPPM滿足或超過該要求的TVS管。
- 考慮封裝與布局:根據功率和PCB空間選擇合適封裝(如SOD-323、SOT-23、SMA、SMB、SMC等)。TVS管應盡可能靠近被保護端口或芯片引腳放置,引線要短,以降低寄生電感,確保最佳保護效果。
- 品牌與型號確認:在滿足上述電氣和物理參數后,可在芯碩(Semitech)、Littelfuse、ON Semiconductor、ST等主流品牌的產品庫中篩選具體型號,并仔細查閱其數據手冊進行最終確認。
三、 針對不同應用的選型側重點
- 電源端口(如DC 12V/24V輸入):重點關注PPPM、IPP和VC,通常需要功率較大的SMB/SMC封裝型號。
- 高速數據線(USB3.0, HDMI, Ethernet):首要關注極低的結電容(Cj),同時兼顧VRWM和ESD防護等級(如IEC 61000-4-2 Contact ±8kV)。芯碩等廠商提供專門的ESD保護陣列產品。
- 通用IO口:平衡參數,選擇通用型、性價比高的SOT-23或SOD-323封裝產品。
TVS管的選型是一個系統性的權衡過程,需在保護水平、信號完整性、成本與布局之間取得最佳平衡。正確理解其核心參數并遵循科學的選型流程,是設計出穩健可靠電路的關鍵一步。