两起产品事故，让我对TVS产生了敬畏之心

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* \2 Y3 Y3 T6 c+ W2 K8 r1 a; ~大家好，我是王工。
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今天在这里跟大家分享一下有关TVS二极管的基础知识。

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因为TVS引起的两起事故
7 U9 b7 T; I( ^' b在这里，王工给大家分享两起工作中遇到的两个因为TVS引起产品失效的事故。
& x! H. V% X  v! h* ]) ?案例1：
整机在打ESD静电的时候，出现通信异常。通过排查，最后定位在如下图左边的通信接口处，右边是咱们的主芯片。

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之所以产品会被打挂，主要原因是TVS布局未靠近接口处放置，TVS放置位置距离接口比较远，没有起到很好的抗静电作用。

* w9 V4 Z  j! n/ d. y案例2：
整机在做EFT抗干扰测试时，当干扰源从外界注入后，我们希望可以让干扰最大程度通过TVS3或TVS4回到源头，从而避免经过内部隔离芯片影响到我们产品的正常运行。
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实际使用时，TVS二极管的选型不合理，导致瞬态功率不够，普通的测试还扛得住，但是EFT就挂掉了，只得换用瞬态功率更高的TVS管。
TVS二极管体积小，在电路正常工作时通常不发挥作用，因此很容易被忽视。可一旦出现问题，大家才会真正意识到它的重要性，并对其产生敬畏之心。
- Q, y" k  f# x4 a" H; Y8 z- D7 a% }抱着学习的心态，我又梳理了一遍TVS的基础知识，在此也分享给大家，希望能让更多人知道它的重要性，少走弯路、少踩坑。


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& S/ `2 h9 M8 \$ i0 `9 E7 c4 V什么是TVS？
- [9 [- r% c/ w# b, A2 R为了照顾到大多数人，咱们还是简单讲讲什么是TVS。
老规矩，先来看看TVS的定义，简单来讲它是一种保护器件。
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它是一种电压钳位型浪涌保护元件，设计用于在短时间内吸收大量能量，具有较低的动态电阻和高电流额定值的特点。电路正常时，它不工作，对电路没有影响；
当遇到异常情况，如ESD、雷击、浪涌等瞬态电压时，它会立即站出来，迅速导通到地，将过压钳位到安全值，从而保护咱们板子内部的元器件免受破坏。
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+ a$ I9 O+ t6 U+ ?- ]  ~) b; f 图源 | ROHM官网再来看ROHM官网另一张图片，更能它展示出TVS二极管的工作原理。左图显示了正常工作状态下的情况。连接器位于左端，而待保护的IC位于右端。它们通过导线相连，并且在两者之间放置了一个TVS二极管。导线根据应用的不同，可以传输直流电压和模拟或数字信号。通常情况下，由于TVS二极管未发生击穿，因此处于关闭状态。
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. W* c9 }' O: F1 q右图显示了施加浪涌时的操作。如果浪涌电压超过TVS二极管的击穿电压，浪涌电流将通过TVS二极管，大部分电流流向地。随后，TVS二极管箱位电压，保护后续电路中的器件。

" i! s9 G# T2 Q. lTVS分为单向，双向两种极性，一般咱们交流信号选择双向TVS，直流信号选择单向TVS。

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8 [' b) z. I; C- ~+ J, G6 d 图源 | ROHM官网
$ H7 U% u5 x% w: e7 }TVS和ZD齐纳二极管的区别注意一下

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图源 | ROHM官网虽然 TVS 和ZD都利用了二极管的反向特性，但ZD主要用于恒压应用，因此齐纳电压 （Vz）规定在 5mA 至 40mA 的低电流范围内，电压稳定。对于 TVS ，在突然施加浪涌等过电压时，必须具有击穿电压，它有两个特别重要的电压参数VRWM和VBR。由于过压保护是主要应用，因此将几 A 到几十 A 范围内的大电流列为保护特性的一部分，以保护电路免受过压瞬变的影响。封装分为贴片，插件两种，一般咱们贴片用的多，插件的功率会更大些，主要看实际应用场景。

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TVS二极管的应用场景
; ?; ~8 M8 B+ x$ g8 x* y/ m7 [结合ROHM官网的资料，TVS主要分为以下几个方面的应用场景。
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7 L2 X; S) j8 n; U  R静电通过USB、HDMI和其它通常安装在电子设备上的连接器进入。下图为一个USB连接器的例子。由于人体会接触电缆和USB设备，因此容易受到静电的影响。TVS二极管被放置在连接器和集成电路之间，以防止静电放电的进入。
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防止ESD通过电子设备的连接器进入

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4 k7 E$ w# O# i8 Q安装在电子设备上的开关和按钮在操作时会接触到人体，静电放电(ESD)可能会损坏集成电路或导致故障。为了防止这种损坏和故障，在开关与待保护设备(此处为集成电路)之间放置TVS二极管，以防止静电放电进入。

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防止通过开关进入ESD以及人体接触的按钮

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如果连接设备的网线被带电的人体或物体接触，ESD就会通过网线进入电子设备。下图展示了一个汽车控制器局域网(CAN)的例子。TVS二极管安装在网络电缆与待连接设备的IC之间，以防止ESD进入。
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1 }) I1 }8 o* t0 ^( I: S( o+ O% T通信网络的ESD防护
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9 V, M; |+ X1 T; o6 r- C- V. ~$ [一般对外接口我们都会加上ESD静电管。

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$ v. R$ G) O3 ~+ J3 |: {1 CTVS二极管的主要参数
当我们进行TVS瞬态抑制二极管选型时，需要确保它能够有效保护电路免受瞬态电压的损害，同时又需要保证TVS二极管自身不会被瞬态电压给打坏了，因为TVS二极管击穿后的失效模式大概率是对地短路，而且TVS二极管大多数是接在电源线上的，这样就会导致我们的电源对地短路，从而整个产品就会失去功能。
咱们来打开一份规格书，以SMBJ5.0A为例，主要参数包括：
VRWM，VBR，VC，IPP，IR。

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" c' J" I. V* I7 _: O8 X# x1 k: z  D截止电压（VRWM）

VRWM指的是Reverse Stand-off Voltage的缩写，它表示在TVS不导通状态下的最高电压，TVS负极上的电压不超过该值，TVS一定不会导通，这个值用于确保不影响电路正常工作。
咱们在选型的时候，VRWM应略高于电路中的工作电压，这个略高于怎么来理解呢？
; s& A# r9 Y- K- V. ?咱们来举个例子，假设电路的工作电压为VCC=5V
4 I& M" b( f6 f  L: p. e2 @2 |一般，VRWM应大于等于1.2倍VCC，即6V。
. k. ?* R% x! Z7 @  Z$ A如果环境恶劣或要求高可靠性，避免TVS在正常工作时误触发，可放宽至1.3-1.5倍，即6.5V-7.5V。

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击穿电压（VBR）
) J7 m" Z7 c, W  L9 e) o8 A7 oVBR是breakdown(击穿)电压，指TVS的最大额定电压，超过此电压，TVS会击穿，电流会急剧增加，以保护电路内部元器件。
: ^- b0 _! _1 k; E) d; N( @, e击穿电压通常应略高于截止电压，但要低于电路中可能出现的最大电压。通常，TVS二极管的VBR范围会在标称值的±10%范围内，因此在选择时要注意其容差范围，以确保电路在过压条件下能够及时保护。

  G" M# @7 d  ~% ]  H/ m[/ol]最大钳位电压（VC）

VC是在脉冲峰值电流IPP作用下，TVS两端的最大电压值。在我们选型时，VC必须高于电路的正常工作电压，否则在正常操作期间可能会误触发，同时VC又必须小于后级被保护电路的最大可承受的瞬态安全电压，否则后级被保护电路将损坏。VC越小说明 TVS 的箝位特性越好。

3 S) O2 ^  E* h- _7 Y6 Q6 W  H: r[/ol]峰值脉冲电流（IPP）

IPP是在反向工作时，TVS管允许通过的最大脉冲峰值电流。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。[/ol]
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IPP 越大耐电流冲击能力越强，它决定了TVS管在保护电路时能够承受的最大浪涌电流，TVS 通过的电流超过此参数就会烧毁。
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3 e9 {5 z/ K& g9 f) p/ S反向漏电流（IR）

IR是在最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管有一个漏电流。这个漏电流的大小会影响TVS管的功耗，性能和电路的稳定性。

; F! _* C; Q* E. e# b[/ol]ROHM官网指出，当信号波形电压值越接近 VRWM，反向电流 IR 越会增加，所以模拟信号的情况下失真率可能会恶化，所以请务必用实机确认动作情况。
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结电容（IR）结电容即TVS的寄生电容，根据被保护的信号速率，选择合适的结电容。特别是在高速电路中，这个参数要重点关注，结电容过大会影响到信号的完整性。
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- j0 y/ y* N* Z1 ^0 M: u1 cTVS二极管设计的注意事项
4 V8 {) @& \! Z1 ^# F6 j/ O1、TVS在layout布局的时候一定要放在接口处，越近越好。太远了就会失效，就像文章开篇中的例子。
2、温度考虑。如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随温度升高增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃～+175℃，大约线性下降50％与击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。
3、对小电流负载的保护。可考虑在电路中增加限流电阻，只要阻值合适，不影响线路的正常工作就行，它会大大减小干扰信号所产生的电流，从而减系统对TVS峰值功率的影响。
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写在最后都说硬件工程师越老越吃香，这句话也告诉我们硬件也是需要积累的，王工从事硬件多年，也会不定期分享技术好文，感兴趣的同学可以加微信，或后台回复“加群”，管理员拉你加入同行技术交流群。
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