如何选择TVS二极管？

1、前言

  电子产品系统保护最重要的部分之一是输入TVS二极管保护。输入TVS二极管旨在保护脆弱的系统输入免受附近机器、雷击或浪涌引起的大瞬态尖峰的影响。这些浪涌由IEC 61000-4-5进行建模，规定了系统必须满足的保护要求，以确保产品暴露于这些瞬态情况时不会出现故障。那么，如何正确的选择TVS二极管呢？本文将介绍TVS二极管，并与其他瞬态保护解决方案进行比较，探讨关键规格，然后举例说明。

2、瞬态保护器件类型

  目前有多种无源器件和有源器件方案能够保护系统输入端的浪涌，但最常见的是使用瞬态电压抑制（TVS）来耗散浪涌能量，TVS在将浪涌电压箝位到安全水平的同时分流浪涌电流。除了TVS二极管，这种电流分流还可以通过使用金属氧化物压敏电阻（MOV）、气体放电管（GDT）、放电齿或者RC滤波器来实现，但每种都有下表所示的缺点。虽然TVS二极管不是一个完美的解决方案，但它们通常是2A-250A之间浪涌电流的最有效选择。GDT、MOV和晶闸管通常更适合更高水平的浪涌耗散，而滤波器则适合较低幅度的浪涌耗散。

  系统输入端的TVS二极管在正常工作期间没有影响，但在瞬态过电压期间立即传导和泄放电流到地，使系统电压暴露在安全的低水平。实际上，TVS二极管具有非理想特性，需要考虑这些非理想特性以确保系统受到有效的保护，使系统受到最小的影响。这些非理想特性类似于ESD二极管，但由于浪涌二极管对系统可靠性更为关键，因此在选择过程中需要额外关注。
  浪涌电流泄放示意图如下图所示。

3、TVS二极管参数

  TVS二极管数据表中关键参数如下表和下图所示。

  3.1 反向工作最大电压
  反向工作最大电压（VRWM）被定义为可以施加到TVS二极管的电压，并保证TVS二极管在使用过程中或一定温度下不会传导大量电流。“有效电流”的定义取决于TVS制造商，但通常小于100nA。
  设计选型时，应选择VRWM高于受保护电路预期的最大工作电压。如果施加的电压升高到VRWM以上，则有可能看到TVS二极管泄漏显著增加。例如，如果受保护电路在标称5V下运行，但由于器件的离散性或其它原因使得最大可能高达7V运行，那么请确保VRWM为7V或更大。
  3.2 最小击穿电压
  最小击穿电压（VBR）是TVS二极管开始泄放电流的最小电压，通常定义为1mA泄放电流时的电压。VBR定义了TVS二极管V-I曲线上的拐点，在该拐点处泄放电流呈指数级增加，这通常被称为TVS二极管“导通”。与VRWM相比，VBR是一个直流值，可能在使用过程中或一定温度下发生显著变化，因此VBR通常有最小值和最大值之分。
  一个常见的错误是因为VBR是TVS二极管开始显著导通的地方，所以认为受保护电路电压低于VBR就可以确保低泄漏。事实并非如此，因为VBR可能会发生偏移，并且在1mA时具有相对较高的泄漏，因此必须确保受保护电路的标称工作电压保持在VRWM以下，而不是VBR，以确保受保护电路泄漏非常低。
  TVS二极管的VBR始终高于VRWM，因此选型TVS二极管时选择正确的VRWM，那么VBR就不会导致明显的泄漏。在浪涌事件期间，VBR是二极管开始箝位的电压，因此，在比较两个相同RDYN的TVS时，较低的VBR意味着较低的箝位和更好的保护。
  3.3 最大脉冲峰值电流
  脉冲峰值电流（IPP）被定义为在TVS二极管本身过热和故障之前可以分流的最大浪涌电流。浪涌事件可以根据最大电流来定义，所以IPP是关键参数，因为它决定了选择的TVS二极管是否可以吸收该最大电流而不会出现任何损坏。确保TVS二极管的IPP大于峰值浪涌电流，这样TVS二极管就不会发生故障。应特别注意，TVS二极管的故障是由于过电流导致的，而不是过电压造成的，因此在选择TVS二极管IPP时，取决于需预防的浪涌电流的大小。在选择TVS二极管时，请确保考虑到IPP的温度降额，因为当温度升高到105°C或125°C时，许多TVS二极管会显著降额（高达其标称值的80%）。应查看TVS二极管数据表中显示峰值功耗与温度关系的图表，可用于计算IPP。
  TVS二极管可以耐受的IPP取决于浪涌脉冲的长度，因此总是相对于波形来定义的。在TVS数据表中，规范几乎总是相对于1ms脉冲长度（IEC61643-123中定义的10/1000μs波形）进行定义，但一些数据表也提供了参考IEC 61000-4-5 8/20μs波形的规范。参考波形脉冲越短，IPP就越高，因此确保IPP值参考与测试条件相同的波形非常重要。如果数据表没有定义与测试规范的特定波形相关的IPP，通常会有一条数据表曲线按脉冲长度显示峰值脉冲功率（计算为IPP×VCLAMP），这使您可以大致确定给定脉冲长度的IPP；然而，这不是一种精确的方法。建议的最佳实践是使用TVS二极管的IPP参考测试规范的确切波形。
  3.4 钳位电压和动态电阻
  钳位电压（VCLAMP）是系统中的重要指标，动态电阻（RDYN）是TVS二极管的固有特性，。所有TVS二极管都有一些内部电阻，定义为RDYN。当电流流过二极管时，两电极引线上测量的电压被定义为VCLAMP，可以使用下图计算公式。

  VCLAMP决定了系统在浪涌期间钳位的电压，VCLAMP越低，受保护系统因电气过载（EOS）而发生故障的可能性就越小。在系统中，如果VCLAMP高于被保护电路系统的绝对最大电压，即使TVS二极管分流电流，系统也可能发生故障。高效的保护设计不需要选择高电压耐受的元件（通常价格更高，且性能更差），应选择具有足够低VCLAMP的TVS二极管，另一方面VCLAMP在很大程度上取决于RDYN，所以尽量选择RDYN较低的TVS二极管。TVS二极管浪涌电流模型如下图所示。

  TVS二极管数据表中VCLAMP始终相对于ISUGE和参考波形进行指定，类似于IPP。需要注意的是数据表测试条件与自己的实际测试条件相匹配，因为VCLAMP会因条件而异。RDYN有时（但并非总是）在TVS数据表中指定。如果没有指定，则可以使用公式RDYN=（VCLAMP-VBR）/ISURGE从给定的VCLAMP粗略计算RDYN。一旦计算出RDYN，只要参考了相同的波形，就可以计算任何测试电流下的VCLAMP值。如果需要在参考不同波形情况下了解RDYN或VCLAMP参数，则无法轻松计算这些值。在这种情况下，最佳做法是找到一个二极管，将这些量指定给给定的波形。
  传统的TVS二极管通常具有非常差的钳位性能。为了获得精确的钳位性能，TI公司的扁平钳位浪涌二极管具有非常低的RDYN，从而导致低钳位电压。
  3.5 极性
  TVS二极管有单向和双向两种配置，单向TVS应用于总是正电压的场合，为正向浪涌脉冲提供更强大的保护；双向TVS应用于正负电压的场合，为输入电压提供了更大的灵活性。这种差异可通过数据表的I/V曲线看出，如下图所示。

  如上图的I/V曲线所示，单向TVS二极管的击穿电压略低于0V，而双向TVS二极管在正负方向上具有对称的击穿电压。这意味着，如果信号标称始终为正，则可以使用单向TVS二极管，但如果信号标称为负，则需要使用双向TVS二极管。单向TVS二极管由于VBR较低，所以单向TVS二极管的负VCLAMP将比双向TVS二极管中的VCLAMP好得多。需根据系统工作范围，以选择合适的TVS二极管极性。
  TVS二极管与所有模拟元件一样，具有漏电流（ILEAK）和寄生电容。理想的二极管在VRWM以下对系统没有任何影响，但实际TVS二极管的漏电流和寄生电容可能会出乎意料地高，如果不考虑它们，严重时将会影响系统正常工作。特别是对于较低电压的TVS二极管，漏电流可能会上升到接近1mA，电容通常高于1000pF。对于某些系统来说，这并不重要，但对于其他系统来说，它可能至关重要。例如，在电池供电的系统中，始终开启的1mA漏电流会消耗大量功率，另外高寄生电容会降低系统信噪比，对于需要保护的高精度输入是不利的。所以在设计保护阶段时，应充分考虑漏电流和寄生电容，确保不会对系统造成不良影响。

4、示例：为PLC的4-20mA输入选择合适的TVS

  以PLC 4/20mA模拟输出选择一个TVS为例，阐述TVS选型过程。根据IEC 60601，PLC输入需要保护，±1 kV IEC 61000-4-5 8/20µs浪涌波形发生器内阻40Ω，假如TVS的动态电阻为2Ω，则浪涌电流为1000V/（40Ω+2Ω）=23.9A。工作环境温度约85°C，受保护IC的输入最大60 V。
  4.1 反向工作电压
  通常，4/20mA输入端子的标称电压为24V，最大直流电压容限为33V，所以选择的任何TVS二极管的反向工作电压必须满足VRWM≥33V。
  4.2 击穿电压
  一旦确定了VRWM，则TVS二极管的击穿电压VBR将始终比VRWM高几伏。
  4.3 钳位电压和动态电阻
  因为被保护IC最大耐压为60V，所以必须确保钳位电压VCLAMP小于60V。然而，许多TVS二极管不会为8/20µs波形给定RDYN和VCLAMP值。这种情况下，必须进行假设或测试，但不是设计系统的理想方式。
  SMAJ33A的RDYN为884mΩ，因此标称VCLAMP=38.6 V+（24A×0.884Ω）=59.8 V。这是标称钳位电压，非常接近需要的钳位电压要求，但我们希望确保在温度过高时施加浪涌也不会出现问题。数据表未规定高温时的钳位电压或击穿电压；然而，它确实提供了一个我们可以用来计算的温度系数。温度系数为10×10-4/°C，因此我们可以计算出85°C时VCLAMP@85°C =VCLAMP@25°C × (1+10×10-4/°C×(TJ-TA))=59.8V×(1+10×10-4/°C×(85°C–25°C))=63.4 V，该钳位电压已超出被保护IC最大60V的要求，该型号TVS二极管不合适。
  这种情况下，最好找到一个RDYN较低的TVS二极管，这会导致VCLAMP较低。SMBJ33A的RDYN为0.504Ω，其标称VCLAMP为51.1 V，最大VCLAMP可达54.2 V，能够满足要求。
  如果输入电路需要更低的电压容差（40V或更低），选择具有超低RDYN的扁平钳位TVS二极管，可以实现更严格的电压调节。例如，TVS3300的最大RDYN为60mΩ，这导致最大钳位电压为39V。这比SMBJ33A二极管低15V，可以大大提高系统的灵活性。扁平钳位TVS二极管还具有更好的温度调节能力，因此在温度变化导致SMA或SMB型TVS二极管发生故障的情况下，扁平钳位TVS二极管仍将保持良好性能。
  4.4 脉冲峰值电流
  必须确保TVS二极管能够承受预期的测试浪涌，在这种情况下，浪涌电流IPP为24 A，因此TVS二极管必须能够承受高温下的24 A电流脉冲。
  SMAJ33A数据表名义上列出了它可以承受400W的10/1000µS瞬态浪涌，通过使用数据表曲线，我们可以将其转换为2300W的8/20µS功率。温度下的功率降额因制造商而异，但根据数据表曲线，在85°C时，TVS二极管通常会降额到额定功率的50%左右。这意味着该TVS二极管可以安全地吸收2300W×50%=1150W，所需的功耗为IPP×VCLAMP=24A×63.4V=1543W，因此SMAJ33A不满足设计需求。
  对SMBJ33A进行同样的分析，对4000W的8/20µs功率，考虑温度降额为2000W，要求IPP×VCLAMP=24A×54.2V=1299 W。这是一种更安全的选择，可以提供一定的保护余量。
  第三种选择是使用TI的TVS3300。TVS3300数据表确保了在该测试条件下的有效性，明确规定了在125°C时可承受3000A浪涌的4000次冲击，因此没有故障风险，也不需要计算。数据表在曲线中明确了浪涌电流随温度的变化，可以看到该器件在85°C下可以吸收32A的浪涌电流，在24A的测试中有50%的裕度。计算能量时，由于器件的低RDYN，它对相同脉冲的功耗更低，因此IPP×VCLAMP=24A×39V=936W。这是SMAJ33A二极管功率的60%，有助于通过减少系统中的电流来提高可靠性。
  4.5 极性
  选择单向还是双向TVS，取决于系统中被保护信号的特性，如果信号预计始终高于零，且没有其他要求时，可以使用单向TVS二极管。但是，如果系统需要防止接线错误，则必须使用双向TVS。大多数TVS系列均包括单向和双向两种选择。
  4.6 漏电流与结电容
  漏电流和结电容的选择也取决于系统。在这种情况下，SMAJ33A、SMBJ33A和TVS3300在100 pF至200 pF时具有相似的电容。然而，SMAJ33A和SMBJ33A在25°C时漏电流为1µA，而TVS3300的漏电流要低得多，25°C时小于30nA。如果需要低泄漏解决方案，TVS3300提供了更好的解决方案。对于没有高速信号的系统，可以容忍大部分器件的结电容，但请注意，有一些TVS二极管的结电容非常高，因此必须检查该参数。这同样适用于漏电流，其中低压TVS二极管的漏电流通常高于1mA，不利于系统的功率裕量。
  4.7 小结
  通过上述分析，针对该测试用例，SMAJ33A不适合可靠地保护输入。如果有60V的电压容限输入，SMBJ33A或TVS3300都能起到保护作用，但对于输入容限较低的电压，TVS3300是更好的选择。然而，为了获得最可靠的保护，TVS3300提供了最低的箝位电压和最低的功耗，同时仍然具有最低的漏电流和最小的封装。为了获得精确可靠的保护，所以TVS3300是最佳选择。

5、总结

  设计师确保产品的稳健性是最关键、最困难的任务之一。这种保护最重要的部分是确保对瞬态浪涌的保护，瞬态浪涌会破坏设备并导致故障，从而导致更高的退货率并让客户感到失望。虽然浪涌保护可能看起来很神秘，但如果仔细理解TVS规范，浪涌就可以得到有效防护。
  考虑到浪涌能量的大小、距离和耦合方式，对暴露于高功率瞬态的风险进行预先评估，可以使设计人员能够预测系统可能受到的浪涌。工程师应充分了解TVS二极管的功能、规格意味着什么，以及它将如何影响系统至关重要。仔细地完成以上选择TVS的步骤，工程师就可以确保产品能够在整个生命周期内运行，无论环境如何恶劣。