老司机教你选 TVS
2023/2/27 16:25:55 点击：
1. 电路中为啥要加TVS
顾名思义，TVS(Transient Voltage Suppressor)，就是对电路中短暂存在的高电压进行抑制，以免此高电压对电路造成损害，或导致电路工作异常。那么工作的好好的电路中，怎么会突然出现瞬时高电压呢？主要有以下原因：
ESD，积累的静电突然释放到电路中。人们用手触摸到设备，身上的静电打坏设备，是最常见的一种方式。除了人体，各种没有连到大地的物体，都可能会积累静电。我们把电路板设计好，怎么知道它在关键时刻能不能顶得住呢？总不能用手摸来摸去，看它坏没坏。这就有了抗静电实验标准IEC61000-4-2，其中人体模型HBM(Human Body Model)用来模拟人体放电，机器模型MM(Machine Model)用来模拟金属等物体放电，其中分为不同的严苛等级。
我们知道：
对于电容 i=c*du/dt 电压的突变，会导致大的感生电流
对于电感 u=L*di/dt 电流的突变，会导致大的感生电压
大的容性负载，感性负载，电机，继电器的动作，常常会在电路中感生出数百伏的高电压。如果源端是感性的，比如汽车里发电机给蓄电池充电，把蓄电池突然拿掉(电流瞬间突变到0)，也会在电路中感生出高电压。高频的电流跳变，所产生的电磁场，通过空间传播，在临近的电路中也能感生出尖峰电流。
闪电，毫无疑问，如果电路板被闪电直接击中，那一定是被秒杀。而如果电路板有金属外壳，然后用粗的导电金属带连到大地，那应该没问题。但是电路板一般通过外部接入220V供电，或者有通讯电缆连出来，那情况就很危险了，即使没被直接击中，由于强烈的电磁场感生出的电压，也足以造成灭顶之灾。
2. 如何选择防护器件
对于雷击这种事件，需要在线路中依次放置放电管，压变电阻，TVS，才能较好的防护。放电管和压变电阻动作慢一些，但可以承受大电压，大电流，作为第一级防护。TVS反应超快，可以作为第二级防护。当然对于一般的应用来说，最主要的还是对ESD和感生瞬变电压的防护。
我们设计一个产品，首先要明确，需要通过哪些标准，以及过什么等级。下面是最常采用的几个标准：
IEC 61000-4-2 静电放电抗扰度；
IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群抗扰度；
IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度；
对于ESD静电放电(IEC 61000-4-2)来说，它的电压上升时间非常短(1ns左右)，所以要求保护器件动作要非常迅速，而一个有利因素是，测试时放电间隔，一般会大于1S，所以不会有太多的能量冲击，这和实际情况比较相符。而对于快速脉冲群(IEC 61000-4-4)来说，它的电压上升时间比静电稍慢一些(5ns左右)，但是重复频率特别高，大家在上面表里可以看到， 1秒钟之内，最少也有5千个高压脉冲，所以它对保护器件能经受的功率要求要大一些。
3. 认识TVS
我们知道对于二极管，一般来说，PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止。说了一般，那肯定还有二般情况，就是反向电压超过一个限制后，二极管就不再是截止状态了，而是会发生雪崩击穿，或齐纳击穿，也可能两者都有。此时，反向电阻很小，导通电流很大，电压被钳制在一个比较固定的水平。TVS就是利用这一特性，来对后级电路进行保护。
TVS分为单向保护管(用于直流电路保护)，和双向保护管(用于交流电路保护)。那么我们以Wayon一款双向TVS为例，来了解一下它的关键参数。
图片来源于Wayon TVS手册
TVS主要参数
Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作电压，或者说截止电压。就是说，加这个电压时，管子仍然是截止的，或者说漏过去的电流非常小，通常1nA 左右。那么超过这个最高工作电压，会怎么样呢？这里要注意，电压超过Vrwm后，TVS并不会马上动作，也不像有的文章说的会劣化，损坏，而是漏电流增加的速度快一些。
VBR (Breakdown Voltage) 击穿电压。当电压超过此电压，漏电流开始急剧增加。这里所谓击穿，不能理解为器件损坏，而是正常动作。
Vc (Clamping Voltage) 钳位电压。这也是一个重要指标，就是当一个电压很高的脉冲来了，TVS器件从截止状态，变为导通状态，电压被钳制在一个比较低的水平，电流从TVS通过，回流到地，从而保护了后级电路。
Ipp (Peak Pulse Current) 峰值脉冲电流。器件所能承受的最大脉冲电流。注意是脉冲，脉冲，脉冲，重要的事情说三遍。如果连续通过这么大的电流，马上死翘翘。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我们评估器件时，如果脉冲宽度比较窄，那么最大电流可以超过Ipp，相反，如果脉冲宽度比较宽，电流小于Ipp 也会造成器件损坏。
Cj(Junction Capacitor) 结电容。低速电路不用管，如果是高速电路，这个电容会导致信号变形。此电容越小越好。
我们结合一个器件手册看一下：
资料来源于Wayon TVS产品手册
这里有争议的可能是Vrwm，也就是截止电压。如果工作电压是5V，那么选TVS器件的时候可以选Vrwm=5V的器件吗？我们的意见是可以选。理由是我们可以从特性曲线看到，即使工作电压有波动超过了5V，那漏电流仍然在可以接受的范围内。比如当电压波动到5.6V，此时漏电流只有1mA。而且我们在一些官方手册中，也可以找到例子。比如对于USB端口，电压5V，就用到了Vrwm=5V的器件。
顾名思义，TVS(Transient Voltage Suppressor)，就是对电路中短暂存在的高电压进行抑制，以免此高电压对电路造成损害，或导致电路工作异常。那么工作的好好的电路中，怎么会突然出现瞬时高电压呢？主要有以下原因：
ESD，积累的静电突然释放到电路中。人们用手触摸到设备，身上的静电打坏设备，是最常见的一种方式。除了人体，各种没有连到大地的物体，都可能会积累静电。我们把电路板设计好，怎么知道它在关键时刻能不能顶得住呢？总不能用手摸来摸去，看它坏没坏。这就有了抗静电实验标准IEC61000-4-2，其中人体模型HBM(Human Body Model)用来模拟人体放电，机器模型MM(Machine Model)用来模拟金属等物体放电，其中分为不同的严苛等级。
我们知道：
对于电容 i=c*du/dt 电压的突变，会导致大的感生电流
对于电感 u=L*di/dt 电流的突变，会导致大的感生电压
大的容性负载，感性负载，电机，继电器的动作，常常会在电路中感生出数百伏的高电压。如果源端是感性的，比如汽车里发电机给蓄电池充电，把蓄电池突然拿掉(电流瞬间突变到0)，也会在电路中感生出高电压。高频的电流跳变，所产生的电磁场，通过空间传播，在临近的电路中也能感生出尖峰电流。
闪电，毫无疑问，如果电路板被闪电直接击中，那一定是被秒杀。而如果电路板有金属外壳，然后用粗的导电金属带连到大地，那应该没问题。但是电路板一般通过外部接入220V供电，或者有通讯电缆连出来，那情况就很危险了，即使没被直接击中，由于强烈的电磁场感生出的电压，也足以造成灭顶之灾。
2. 如何选择防护器件
对于雷击这种事件，需要在线路中依次放置放电管，压变电阻，TVS，才能较好的防护。放电管和压变电阻动作慢一些，但可以承受大电压，大电流，作为第一级防护。TVS反应超快，可以作为第二级防护。当然对于一般的应用来说，最主要的还是对ESD和感生瞬变电压的防护。
我们设计一个产品，首先要明确，需要通过哪些标准，以及过什么等级。下面是最常采用的几个标准：
IEC 61000-4-2 静电放电抗扰度；
IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群抗扰度；
IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度；
对于ESD静电放电(IEC 61000-4-2)来说，它的电压上升时间非常短(1ns左右)，所以要求保护器件动作要非常迅速，而一个有利因素是，测试时放电间隔，一般会大于1S，所以不会有太多的能量冲击，这和实际情况比较相符。而对于快速脉冲群(IEC 61000-4-4)来说，它的电压上升时间比静电稍慢一些(5ns左右)，但是重复频率特别高，大家在上面表里可以看到， 1秒钟之内，最少也有5千个高压脉冲，所以它对保护器件能经受的功率要求要大一些。
对于IEC61000-4-5，浪涌测试来说，它的能量要大得多。倒不是因为它的电压有多高，而是因为它的脉冲宽度(数百微秒)，是静电放电脉冲宽度(数十纳秒)的上千倍。我们选择保护器件，就要根据需要过的测试标准，有针对性地进行选择。
3. 认识TVS
我们知道对于二极管，一般来说，PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止。说了一般，那肯定还有二般情况，就是反向电压超过一个限制后，二极管就不再是截止状态了，而是会发生雪崩击穿，或齐纳击穿，也可能两者都有。此时，反向电阻很小，导通电流很大，电压被钳制在一个比较固定的水平。TVS就是利用这一特性，来对后级电路进行保护。
TVS分为单向保护管(用于直流电路保护)，和双向保护管(用于交流电路保护)。那么我们以Wayon一款双向TVS为例，来了解一下它的关键参数。
图片来源于Wayon TVS手册
TVS主要参数
Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作电压，或者说截止电压。就是说，加这个电压时，管子仍然是截止的，或者说漏过去的电流非常小，通常1nA 左右。那么超过这个最高工作电压，会怎么样呢？这里要注意，电压超过Vrwm后，TVS并不会马上动作，也不像有的文章说的会劣化，损坏，而是漏电流增加的速度快一些。
VBR (Breakdown Voltage) 击穿电压。当电压超过此电压，漏电流开始急剧增加。这里所谓击穿，不能理解为器件损坏，而是正常动作。
Vc (Clamping Voltage) 钳位电压。这也是一个重要指标，就是当一个电压很高的脉冲来了，TVS器件从截止状态，变为导通状态，电压被钳制在一个比较低的水平，电流从TVS通过，回流到地，从而保护了后级电路。
Ipp (Peak Pulse Current) 峰值脉冲电流。器件所能承受的最大脉冲电流。注意是脉冲，脉冲，脉冲，重要的事情说三遍。如果连续通过这么大的电流，马上死翘翘。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我们评估器件时，如果脉冲宽度比较窄，那么最大电流可以超过Ipp，相反，如果脉冲宽度比较宽，电流小于Ipp 也会造成器件损坏。
Cj(Junction Capacitor) 结电容。低速电路不用管，如果是高速电路，这个电容会导致信号变形。此电容越小越好。
我们结合一个器件手册看一下：
超过峰值功率/电流，会引起器件损坏。
资料来源于Wayon TVS产品手册
这里有争议的可能是Vrwm，也就是截止电压。如果工作电压是5V，那么选TVS器件的时候可以选Vrwm=5V的器件吗？我们的意见是可以选。理由是我们可以从特性曲线看到，即使工作电压有波动超过了5V，那漏电流仍然在可以接受的范围内。比如当电压波动到5.6V，此时漏电流只有1mA。而且我们在一些官方手册中，也可以找到例子。比如对于USB端口，电压5V，就用到了Vrwm=5V的器件。
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