瞬态电压抑制二极管 TVS 选型

瞬态电压抑制二极管（TVS，Transient Voltage Suppressors）二极管，是一种在传统齐纳二极管工艺基础之上制造的一种电路保护元器件，也被称为 瞬变抑制二极管、瞬态电压抑制器、雪崩击穿二极管 等。其具有单向与双向之分，当两端经受瞬间高能量冲击时，就会以皮秒级别的速度将两端的阻抗值由高阻抗变化为低阻抗，从而将瞬间大电流接地，并把两端的电压箝制在一个预定的数值上，进而确保后级电路不会受到瞬态高压尖峰脉冲的影响。

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总而言之，TVS 二极管凭借皮秒级导通速率、大瞬态功率、低漏电流与电容、容易控制的箝位电压、击穿电压偏差小、可靠性高、体积小 等优势，被广泛应用于敏感电路的过压保护当中（特别是 ESD 静电防护）。目前国际市场上比较主流的 TVS 生产制造企业有 美国威世 Vishay、美国力特 Littelfuse、日本安森美 Onsemi、荷兰安世 Nexperia 等厂家，而国内最近几年也涌现出了 乐山无线电 LRC、台州电子 TechPublic 以及国巨旗下的 君耀电子 BrightKing 等比较有实力的供应商。

原理图符号

瞬态电压抑制器（TVS，Transient Voltage Suppressors）狭义上是指雪崩击穿二极管，这是一种二极管形式的高效保护器件，通常采用较大尺寸的 SMA 或者 SMB 封装，结电容比较大，主要运用在防浪涌防护以及电源 ESD 等领域。而广义上的 TVS 是指包含有 TVS 二极管的 ESD 专用防护器件，其原理图符号如下图所示：

单向 & 双向

TVS 二极管可以具体划分为单向和双向两种类型，双向 TVS 主要应用于交流电压电路，而单向 TVS 一般运用于直流电路（使用的时候需要反接在电路当中，这意味着使用的时候需要注意极性。考虑到物料规格的统一，以及采购成本的差异较为细微，双向 TVS 在实际生产环境下使用更为普遍）。

当单向 TVS 二极管被应用于直流电路，在电路正常工作的时候，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响正常工作。但是当电路中出现瞬态电压突变（达到 TVS 的雪崩击穿电压），TVS 二极管就会迅速由高阻态转变为低阻态，将由于异常过压所导致的瞬态电流接入到地平面，同时将这个瞬态电压箝位在一个比较低的水平，进而保护后级电路免遭瞬态电压突变的损坏（瞬态电压突变消失以后，TVS 二极管又会恢复为高阻态）。

伏安特性参数

涉及选型的 TVS 二极管伏安特性参数，主要涉及到 VRWM、IR、VBR、IPP、VC、Cj 六个，阅读时请结合如下的伏安特性曲线图：

1. 反向截止电压 VRWM：不会造成 TVS 二极管损坏的最高峰值电压（如果是交流电压则使用真有效值表示），低于该参数时 TVS 不会导通，设计电路的额定工作电压（5V 或者 3.3V）应当低于这个参数。

2. 反向漏电流 IR：当工作在低于反向截止电压 VRWM 的时候，TVS 所承受的最大反向电流。也就是说如果向 TVS 两端施加电压 VRWM，此时通过的电流就是 TVS 的漏电流 IR。通常情况下，这个参数小于 0.1uA 微安。

3. 击穿电压 VBR：即 ESD 防护生效的电压，只要超过该参数，TVS 二极管就会击穿导通。导通时间一般不会超过 400 毫秒，避免较大电流损坏元器件。

4. 脉冲峰值电流 IPP：峰值反向脉冲电流是指 TVS 按照 IEC61000-4-5:2014 或者 GB/T 17626.5-2019 标准，使其工作在规定的 8/20 微秒或 10/1000 微秒的脉冲波形下，此时 TVS 所允许通过的最大峰值电流。也就是达到箝位电压 VC 的时候，通过 TVS 二极管的电流，超过该参数会导致 TVS 的损毁。

5. 箝位电压 VC：即通过峰值脉冲电流 IPP 的时候，TVS 两端产生的峰值电压。IPP 以及 VC 这两个参数相互联系，主要用于衡量 TVS 抵抗浪涌脉冲电流以及限制电压的能力。IPP 越大耐电流冲击能力越强，VC 越小说明 TVS 的箝位特性越好。

6. 脉冲峰值功率 Ppp：即 箝位电压 VC 与峰值脉冲电流 IPP 的乘积，超过该参数同样会造成 TVS 二极管的损毁。

7. 结电容 Cj：即 TVS 当中的寄生电容，高速电路设计过程当中，需要重点关注这个参数，结电容过大会影响到信号的完整性。

本文接下来的内容当中，会对上述一系列的 TVS 二极管选型参数，进行更加详细的说明。

反向截止电压 VRWM

正常情况下，TVS 二极管应当处于截止状态（没有导通），因此 TVS 的反向截止电压 VRWM 应当大于被保护电路的工作电压，从而确保 TVS 不会影响被保护电路的正常工作，反向截止电压 VRWM 的取值可以通过下面的参考公式计算得到：

VRWM=(1.1∼1.2)×VCC

如果 VRWM 比被保护电路的额定工作电压更大，那么 TVS 二极管的漏电流就会越小。反之，VRWM 越小，TVS 二极管的箝位电压 VC 就会越小，对于后级电路的保护效果会相对更好。

注意：上述公式当中的 VCC 等于被保护电路的工作电压，例如 12V、5V、3.3V、1.8V 等等。

箝位电压 VC

TVS 二极管的箝位电压 VC，应当小于被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，否则当 TVS 处于箝位状态的时候，VC 会损坏后级的被保护电路:

VC<Vmax

注意：上述公式当中的 Vmax 等于被保护电路所能承受的最高电压。

额定瞬态功率 PPPM

TVS 二极管的额定瞬态功率 PPPM 是指发生浪涌的时候，不会被浪涌脉冲电流损毁的功率值。该参数在选型时应当大于电路当中可能出现的最大瞬态浪涌功率，该参数越大，TVS 二极管所能够承受的冲击能量就会越大，但是封装尺寸就会更大，相应的价格也就会越高。

对于箝位电压 VC 相同，但是额定瞬态功率 PPPM 不同的 TVS 二极管，两者最大的区别主要在于能够通过的峰值电流 IPP 不同，这样 PPPM 与 IPP 就会呈正比，此时被保护电路所需通过的真实峰值电流 Iactual 可以通过下面的公式进行计算：

Iactual=UactualRi

注意：上述公式当中的 Uactual 为实际测试电压，而 Ri 为测试内阻。

结电容 Cj

根据被保护电路上信号的通信速率，选择具有恰当结电容 Cj 参数的 TVS 二极管。下面的表格给出了对于常见通信接口，所推荐的 ESD 防静电结电容大小：

符合 ESD 等级

IEC61000-4-2 是国际电工委员会颁布的电磁兼容性测试标准，与之相对应的国内测试标准是 GB/T 17626.2，生产环境下选择的 TVS 二极管，需要符合 IEC61000-4-2 的 Level4 标准（接触放电与空气放电）：

如果 TVS 二极管数据手册当中，箝位电压 VC 测试标准选择的是 IEC61000-4-5，那么测试用的浪涌波形主要有如下两种规格：

• 8/20 us 微秒：指 8 us 达到峰值脉冲电流 IPP 的 100%，20 us 达到峰值脉冲电流 IPP 的 50%。

• 10/1000 us 微秒：指 10 us 达到峰值脉冲电流 IPP 的 100%，1000 us 达到峰值脉冲电流 IPP 的 50%。

注意：该标准只能确保 TVS 二极管本身，在面对测试电压的时候不会被损坏。而后级被保护电路是否受到影响，还是要取决于当前箝位电压 VC 参数的选择。

TLP 脉冲等级

传输线触波产生器（TLP，Transmission Line Pulsing system，）用于测量 TVS 二极管在瞬时高电压情况下的伏安特性曲线，TLP 所释放的脉冲等级，可以与 IEC61000-4-2 测试标准相互对应：

当两个 TVS 二极管都能够通过 IEC61000-4-2 的 8kV 静电脉冲测试时，TVS 二极管数据手册当中 TLP 曲线（如下图）所对应的箝位电压越低，就代表这款 TVS 的性能越好。我们可以根据被保护电路所能够承受的最大电压，选择 TLP 曲线当中箝位电压适合的 TVS：

注意：TLP 曲线当中的箝位电压是瞬态 100ns 时测试得到的，与 TVS 持续工作时不会损坏的箝位电压会有所区别。

TVS 选型总结

TVS 二极管在使用的时候，通常会反接在被保护电路当中，选型思路可以归纳为如下四个要点：

1. 反向截止电压 VRWM 要大于被保护电路的正常工作电压（最好高于主控芯片的典型工作电压）。

2. 箝位电压 VC 能够有效的保护后级电路（最好低于主控芯片额定工作电压的上限值）。

3. 结电容 Cj 不能影响后级被保护电路的信号完整性。

4. 额定瞬态功率 PPPM 充裕，满足测试标准的同时，不能比电路中的保险丝更早损毁。

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