利用瞬態(tài)電壓抑制二極管加固電路并保持電氣完整性

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了保護(hù)電路、系統(tǒng)和系統(tǒng)用戶，電氣快速瞬變 (EFT) 電壓是設(shè)計(jì)人員必須考慮的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。EFT 的來(lái)源有很多，包括簡(jiǎn)單動(dòng)作（例如在地毯上行走）引起的常見(jiàn)靜電放電 (ESD)、電機(jī)啟動(dòng)或者引發(fā)連鎖反應(yīng)的雷擊。從低壓電池供電的可穿戴設(shè)備到高功率電機(jī)系統(tǒng)，這些瞬變會(huì)對(duì)各類(lèi)產(chǎn)品產(chǎn)生不利影響。

EFT 造成的影響包括暫時(shí)中斷運(yùn)行和無(wú)法運(yùn)行，乃至長(zhǎng)期性能下降以及徹底的永久性損壞和故障。為了減少電壓瞬變，設(shè)計(jì)人員可以采取一些措施，例如使用防靜電外殼、濾波、在源頭鉗制電壓或者進(jìn)行外加接地，但這些措施往往需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行修改或升級(jí)。

為了可靠地最大限度減少或消除瞬態(tài)電壓的有害影響，設(shè)計(jì)人員可以使用被稱(chēng)為瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管的雙端無(wú)源元器件。盡管這些二極管通常被視為開(kāi)路，但當(dāng)瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)，它們幾乎能夠瞬間做出反應(yīng)，并造成類(lèi)似于短路的效果，從而將瞬態(tài)過(guò)壓轉(zhuǎn)移到大地。TVS 二極管具有響應(yīng)速度快、耐高壓、壽命長(zhǎng)、電容低等特點(diǎn)。

本文將以 [Eaton Corporation plc] (Eaton) 的各種器件和器件系列為例，探討 TVS 二極管的需求、作用、類(lèi)型和應(yīng)用。

從 IEC 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始

為了降低 EFT 的風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 在 IEC 61000-4（“電磁兼容性 (EMC)：測(cè)試和測(cè)量技術(shù)”）中規(guī)定了三種國(guó)際公認(rèn)的過(guò)壓保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：

1. IEC 61000-4-2 涉及系統(tǒng)級(jí) ESD 抗擾度，適用于人體接觸引起的 ESD（圖 1）。對(duì)于此波形，上升時(shí)間 (tr) 很短，介于 0.7 到 1 ns 之間，大部分能量在前 30 ns 以?xún)?nèi)耗散，然后迅速衰減。因此，需要采用超快反應(yīng)式過(guò)壓保護(hù)措施，以便及時(shí)響應(yīng) ESD 事件。

圖 1：根據(jù) IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)，由人體接觸引起的典型 ESD 脈沖波形表明，上升時(shí)間非常短，不到 1 ns，大部分能量在前 30 ns 以?xún)?nèi)耗散。（圖片來(lái)源：Eaton）

此波形本身并未表明相關(guān)的電壓水平。IEC 61000-4-2 規(guī)定了各種設(shè)備在接觸放電和空氣放電時(shí)的系統(tǒng)級(jí) ESD 抗擾度測(cè)試電壓（圖 2）。

| | IEC 61000-4-2 等級(jí) | 接觸放電 | 空氣放電 |
| -------------------- | ---------- | ---------- |
| 1 級(jí) | 2 kV | 2 kV |
| 2 級(jí) | 4 kV | 4 kV |
| 3 級(jí) | 6 kV | 8 kV |
| 4 級(jí) | 8 kV | 15 kV |

圖 2：IEC 61000-4-2 空氣放電和接觸放電等級(jí)進(jìn)一步明確了人體接觸的具體要求。（圖片來(lái)源：Eaton）

應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用中所需的 ESD 防護(hù)等級(jí)，選擇適當(dāng)?shù)?TVS 二極管。請(qǐng)注意，當(dāng)根據(jù) IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，Eaton 的所有 TVS 二極管都能夠至少達(dá)到 4 級(jí)性能。還有其他具有更高 ESD 耐受能力的選擇，能夠承受高達(dá) 30 kV 的空氣放電和接觸放電電壓。

2. IEC 61000-4-5 涉及對(duì)電涌的抗擾度，例如雷擊或開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電涌。與功率相對(duì)較低的靜電不同，雷擊可能攜帶高達(dá) 1 GJ 的能量，并產(chǎn)生高達(dá) 120 kV 的浪涌電壓。當(dāng)雷擊直接擊中戶外電路并產(chǎn)生浪涌電壓、雷擊間接導(dǎo)致導(dǎo)體中產(chǎn)生浪涌電壓或者雷擊接地電流流動(dòng)時(shí)，都可能引發(fā)瞬變。請(qǐng)注意，盡管 TVS ESD 抑制器不能用來(lái)防御直接雷擊，但仍需要使用它們，因?yàn)槔讚粢l(fā)的瞬變可能會(huì)在整個(gè)配電系統(tǒng)中蔓延到 1 英里外甚至更遠(yuǎn)。

IEC 61000-4-5 定義了一個(gè)典型的雷擊電壓波形（圖 3）。

圖 3：這是 IEC 61000-4-5 定義的雷擊脈沖波形（I聚丙烯是峰值電流）。（圖片來(lái)源：Eaton）

IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了各類(lèi)電氣/電子設(shè)備的浪涌抗擾度測(cè)試電壓水平（圖 4）。

電壓水平由終端應(yīng)用決定：

• 1 類(lèi)：部分受保護(hù)的環(huán)境
• 2 類(lèi)：即使是短距離也實(shí)現(xiàn)了電纜妥善分離的電氣環(huán)境
• 3 類(lèi)：電力線和信號(hào)線并行布設(shè)的電氣環(huán)境
• 4 類(lèi)：互連電纜的布線方式像室外電纜一樣與電力線混在一起，而且電纜同時(shí)用于電子和電氣回路

| | IEC 61000-4-5 浪涌測(cè)試級(jí)別 |
| ---------------------------- |
| 分類(lèi) | 電壓水平 (kV) | 2 Ω 時(shí)的最大峰值電流 (A) |
| 1 | 0.5 | 250 |
| 2 | 1 | 500 |
| 3 | 2 | 1,000 |
| 4 | 4 | 2,000 |
| X | 定制 | 定制 |

圖 4：IEC 61000-4-5 為電涌抗擾度規(guī)定了四個(gè)測(cè)試級(jí)別。（圖片來(lái)源：Eaton）

3. IEC 61000-4-4 涉及針對(duì) EFT 的保護(hù)（圖 5）。EFT 是由感性負(fù)載（例如配電系統(tǒng)中的重型電機(jī)、繼電器、開(kāi)關(guān)接觸器）的運(yùn)行以及功率因數(shù)校正設(shè)備的接通或斷開(kāi)引起的。

圖 5：IEC 61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)描述的 EFT 脈沖波形。（圖片來(lái)源：Eaton）

請(qǐng)注意，EFT 的特征通常只體現(xiàn)為兩對(duì)數(shù)字：它們達(dá)到峰值的上升時(shí)間 (t 1 ) 和瞬變降到 50% 峰值前的脈沖持續(xù)時(shí)間 (t 2 )。8/20 μs 瞬變是工業(yè)應(yīng)用中的一種常見(jiàn)脈沖。

電路或系統(tǒng)必須承受的瞬態(tài)電壓 ESD 的大小取決于應(yīng)用。MIL-STD-883 規(guī)定了三個(gè)等級(jí)，此標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事和航空航天系統(tǒng)（圖 6）。

| | 等級(jí) | 成功的 ESD 性能 |
| ------ | -------------------- |
| 1 級(jí) | 0 V 至 1,999 V |
| 2 級(jí) | 2,000 V 至 3,999 V |
| 3 級(jí) | 4000 V 或更高 |

圖 6：根據(jù) MIL-STD-883 第 3015 號(hào)方法，ESD 靈敏度分為三個(gè)等級(jí)。（圖片來(lái)源：Eaton）

TVS 設(shè)備解決了這一問(wèn)題

為了滿足各種要求并保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以使用 TVS 二極管。TVS 二極管是硅過(guò)壓保護(hù)器件，根據(jù)二極管雪崩擊穿原理工作。這些器件與常規(guī)電路平行安裝，以保護(hù)內(nèi)部元器件免受短時(shí)（瞬態(tài)）電壓和中高電壓的影響（圖 7）。

圖 7：受保護(hù)線路與系統(tǒng)接地線之間橫跨輸入端的 TVS 二極管。（圖片來(lái)源：Eaton）

在正常的非瞬態(tài)工作狀態(tài)下，TVS 二極管保持高阻抗，不會(huì)干擾流經(jīng)設(shè)備的電源或信號(hào)。但當(dāng) TVS 二極管的端子受到瞬時(shí)高能量沖擊時(shí)，它會(huì)迅速進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)（稱(chēng)為雪崩擊穿），以吸收大電流并將電壓鉗制到安全水平，從而保護(hù)下游電路元件。

TVS 二極管以單向或雙向 P-N 結(jié)器件形式提供。盡管名稱(chēng)是單向，但大多數(shù)單向 TVS 二極管也能抑制兩個(gè)極性的電壓。它們的區(qū)別在于，單向 TVS 二極管具有非對(duì)稱(chēng)電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向 TVS 二極管具有對(duì)稱(chēng) V-I 特性（圖 8）。雙向 TVS 二極管非常適合保護(hù)具有雙向或者高于和低于接地電壓的信號(hào)的電氣節(jié)點(diǎn)。

圖 8：TVS 二極管名稱(chēng)不反映任何固有方向性。而是，單向 TVS 二極管具有非對(duì)稱(chēng)電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向二極管具有對(duì)稱(chēng) V-I 特性。（圖片來(lái)源：Eaton）

TVS 的性能取決于頂級(jí)參數(shù)、封裝和布置

TVS 二極管由很多高級(jí)規(guī)格定義。其中包括：

• 標(biāo)稱(chēng)最大反向工作電壓 (V RWM )：也稱(chēng)為反向斷態(tài)電壓，是指 TVS 二極管進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的最大工作電壓
• 擊穿電壓 (V BR )：TVS 二極管發(fā)生雪崩擊穿并產(chǎn)生低阻抗時(shí)的電壓
• 反向漏電流 (I 右 )：TVS 二極管進(jìn)入反向偏壓狀態(tài)時(shí)流經(jīng) TVS 二極管的電流
• 鉗位電壓 (Vc)：TVS 二極管達(dá)到額定峰值脈沖電流 (I PP ) 時(shí)的端電壓
• 電容：用來(lái)衡量輸入引腳與另一參考點(diǎn)（通常是接地線/地線）之間存儲(chǔ)的電荷的指標(biāo)，一般以 pF 為單位，通常使用 1 MHz 信號(hào)進(jìn)行測(cè)量
• 峰值電流 (I PP )：電流波形的最大正振幅與最大負(fù)振幅之差

通常使用一個(gè)四步過(guò)程來(lái)選擇 TVS 二極管：

1. 選擇斷態(tài)電壓高于正常工作電壓的二極管
2. 驗(yàn)證指定的峰值電流是否超過(guò)預(yù)期的峰值電流，并確保指定的二極管能夠在瞬態(tài)事件期間滿足功率要求
3. 計(jì)算所選二極管的最大鉗位電壓 (V 化學(xué)發(fā)光 ）
4. 確認(rèn)計(jì)算出的 V化學(xué)發(fā)光小于受保護(hù)引腳的指定絕對(duì)最大額定值

TVS 器件在電路板上的布置對(duì)于充分發(fā)揮這些器件的性能至關(guān)重要。為了獲得最佳的浪涌保護(hù)，二極管應(yīng)盡可能靠近電壓輸入點(diǎn)（例如 I/O 端口），以最大限度減少寄生效應(yīng)對(duì)于有效抑制快速瞬態(tài)浪涌的影響。

TVS 示例說(shuō)明了產(chǎn)品系列

Eaton 的 TVS 二極管非常適合為 I/O 接口以及高速數(shù)字和模擬信號(hào)線提供過(guò)壓保護(hù)。它們具有超低的鉗位電壓、高峰值功率、高電流耗散和納秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間。

TVS 二極管的封裝與規(guī)格密切相關(guān)。提供表面貼裝封裝和通孔封裝，后者具有更高的電壓/電流性能。

TVS 二極管必須能夠防御各種電壓和電流。因此，一個(gè)額定電壓值和其他參數(shù)無(wú)法滿足所有 EFT 情況的需求。來(lái)自四個(gè)不同系列的示例說(shuō)明了這些情況。

1. SMFE 系列的峰值脈沖功率為 200 W，具有 10/1000 μs 波形。這些器件采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的扁平 SOD-123FL 表面貼裝封裝，尺寸為 2 × 3 × 1.35 mm，可優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備的電路板空間。

[SMFE5-0A]（圖 9）是該系列中的一員。其鉗位電壓為 9.2 V，IPP為 21.7 A，支持單向或雙向用例。當(dāng)工作電壓高于 10 V 時(shí)，反向漏電流小于 1 μA，響應(yīng)速度快，從 0 V 到 VBR的響應(yīng)時(shí)間通常不到 1.0 ps。

圖 9：SMFE5-0A 9.2 V TVS 二極管采用扁平 SOD-123FL 表面貼裝封裝，主要面向移動(dòng)應(yīng)用和可穿戴應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Eaton）

2. ST 系列可保護(hù)一條雙向 I/O 線路，面向 USB 和其他數(shù)據(jù)端口、觸摸板、按鈕、直流電源、RJ-45 連接器和射頻天線。該系列的成員（例如 33 V、12 A IPP的 [STS321120B301]）采用 SOD-323 SMT 微型封裝，尺寸為 1.8 × 1.4 × 1.0 mm，每條線路的額定峰值脈沖功率為 400 W (t 磷 = 8/20 μs)。該系列二極管支持 2.8 V直流到 70 V直流的工作電壓，具有低至 0.15 pF 的超低電容。這些二極管可提供高達(dá) 30 kV 的 ESD 保護(hù)（符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)）。
3. AK 系列由高功率 TVS 二極管組成，可提供高達(dá) 10,000 A 的保護(hù)能力，專(zhuān)為滿足交流和直流應(yīng)用中的惡劣浪涌測(cè)試環(huán)境而設(shè)計(jì)。這些二極管的特點(diǎn)是斜率電阻低，并采用快速恢復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了出色的鉗位系數(shù)。該系列符合 UL1449 浪涌保護(hù)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，適用于消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備、電器、工業(yè)自動(dòng)化或交流線路保護(hù)。（注：斜率電阻或動(dòng)態(tài)電阻是指當(dāng)施加交流電壓時(shí)，二極管所提供的電阻；快速恢復(fù)是一個(gè)器件過(guò)程，即使在較低電壓下也能繼續(xù)傳導(dǎo)大電流。）

為了滿足電流和 UL 要求，該系列器件采用了與 [AK6E-066C]相同的通孔軸向引線封裝、120 V 鉗位和 6000 A IPP二極管（圖 10）。此二極管的引線長(zhǎng) 25 mm，中心體近似于正方形，尺寸約為 13 × 15 mm。

圖 10：AK6E-066C 高功率 120 V TVS 二極管可提供高達(dá) 10,000 A 的保護(hù)，并采用通孔軸向引線封裝。（圖片來(lái)源：Eaton）

4. SMAJExxH 系列 SMA 尺寸 TVS 二極管的獨(dú)特之處在于，它們符合汽車(chē)應(yīng)用需要達(dá)到的 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)。這些器件可提供 400 W 的峰值脈沖功率（具有 10/1000 μs 波形），響應(yīng)速度快，從 0 V 到 VBR的響應(yīng)時(shí)間通常不到 1.0 ps，10 V 以上的 I右小于 1 μA。

該系列器件的電壓范圍為 5 到 440 V，每種器件都有單向和雙向版本，其中包括 [SMAJE22AH]，它具有 35.5 V 鉗位電壓和 11.3 A I PP （圖 11）。該系列的所有器件都采用表面貼裝塑料封裝，（最大）尺寸為 3.0 × 4.65 × 2.44 mm，符合 UL 94 V-0 阻燃等級(jí)（圖 11）。

圖 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二極管符合 AEC-Q101 規(guī)定的汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)；它還采用了符合 UL 94 V-0 阻燃等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝。（圖片來(lái)源：Eaton）

總結(jié)

靜電、電機(jī)啟動(dòng)或附近的雷擊產(chǎn)生的電氣瞬變可能會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)及其元器件損壞。TVS 二極管幾乎能夠瞬間響應(yīng)這些過(guò)電壓，并將瞬態(tài)電壓和能量轉(zhuǎn)移到大地，從而保護(hù)系統(tǒng)。如圖所示，Eaton 提供了多個(gè)系列的 TVS 二極管，每個(gè)系列由很多具有不同額定電壓的器件組成，以滿足預(yù)期的瞬態(tài)電壓幅度、最終產(chǎn)品限制和法規(guī)要求，同時(shí)只需幾平方毫米的電路板空間。