作者：Bill Schweber

　　快速瞬態(tài)(EFT)電壓是設(shè)計(jì)人員為保護(hù)電路、系統(tǒng)和系統(tǒng)用戶而必須考慮的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。EFT 的來(lái)源有很多，包括由于簡(jiǎn)單的動(dòng)作(如走過(guò)地毯、啟動(dòng)電機(jī)或閃電)引起的普通靜電放電 (ESD)，從而導(dǎo)致漣漪效應(yīng)。從低壓電池供電的可穿戴設(shè)備到大功率電機(jī)系統(tǒng)，這些瞬態(tài)干擾會(huì)對(duì)各類產(chǎn)品造成不利影響。

　　EFT 的影響范圍很廣，從暫時(shí)中斷和無(wú)法運(yùn)行，到長(zhǎng)期性能下降和徹底的永久性損壞和故障。雖然設(shè)計(jì)人員可以采取措施減少瞬態(tài)電壓，如使用防靜電外殼、濾波、在源頭夾緊或?qū)嵤╊~外接地，但這些措施往往需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行修改或升級(jí)。

　　為了可靠地減少或消除瞬態(tài)電壓的有害影響，設(shè)計(jì)人員可以使用稱為瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管的雙端無(wú)源元件。雖然這些二極管通常被視為開路，但當(dāng)瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)，它們幾乎會(huì)瞬間做出反應(yīng)，類似于短路，從而將瞬態(tài)過(guò)電壓分流到地。TVS 二極管響應(yīng)速度快、耐壓能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、電容小。

　　本文將以伊頓公司(Eaton)的各種器件系列和器件為例，探討 TVS 二極管的需求、作用、類型和應(yīng)用。

　　從 IEC 標(biāo)準(zhǔn)開始

　　為降低 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)")：

　　1)IEC 61000-4-2涉及系統(tǒng)級(jí)靜電放電抗擾度，適用于人體接觸引起的靜電放電(圖 1)。對(duì)于這種波形，上升時(shí)間 (tr) 很短，為 0.7 至 1 納秒，大部分能量在前 30 納秒內(nèi)耗散，之后迅速衰減。因此，需要非常快速的過(guò)壓保護(hù)，以便及時(shí)應(yīng)對(duì) 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 脈沖波形的上升時(shí)間非常短，不到一納秒，大部分能量在前 30 毫微秒內(nèi)耗散。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　波形本身并不能說(shuō)明相關(guān)的電壓水平。IEC 61000-4-2 規(guī)定了各種設(shè)備接觸放電和空氣放電的系統(tǒng)級(jí) ESD 抗擾度測(cè)試電壓(圖 2)。

　　圖 2：IEC 61000-4-2 的空氣和接觸放電級(jí)別進(jìn)一步明確了人體接觸的具體要求。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　TVS 二極管的適當(dāng)選擇取決于應(yīng)用中所需的 ESD 保護(hù)級(jí)別。請(qǐng)注意，伊頓的所有 TVS 二極管在按照 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)都具有 4 級(jí)最低性能。其他選件可提供更高的靜電放電耐受保護(hù)，空氣放電和接觸放電均可達(dá)到 30 千伏 (kV)。

　　2)IEC 61000-4-5包括對(duì)電涌的抗擾度，如雷擊或開關(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，雷擊可包含高達(dá) 1 吉焦 (GJ) 的能量，并產(chǎn)生高達(dá) 120 千伏的浪涌電壓。雷電引起的瞬態(tài)電壓可能是由于直接雷擊戶外電路產(chǎn)生浪涌電壓、間接雷擊在導(dǎo)體中引起浪涌電壓或雷電接地電流流造成的。需要注意的是，TVS ESD 抑制器并不是用來(lái)防止直接雷擊的，但仍然需要使用抑制器，因?yàn)檫@些雷擊會(huì)將瞬態(tài)信號(hào)傳送到整個(gè)配電系統(tǒng)，距離可達(dá) 1 英里或更遠(yuǎn)。

　　IEC 61000-4-5 定義了典型的雷電電壓波形(圖 3)。

　　圖 3：這是 IEC 61000-4-5 規(guī)定的雷電脈沖波形(IPP為峰值電流)。(圖片來(lái)源：伊頓)

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

　　級(jí)別由最終應(yīng)用確定：

　　第 1 類：受部分保護(hù)的環(huán)境

　　第 2 類：電纜分隔良好的電氣環(huán)境，即使是短距離傳輸也是如此

　　第 3 類：電源線和信號(hào)線并行的電氣環(huán)境

　　第 4 類：電氣環(huán)境，其互連電纜與電力電纜一起作為室外電纜運(yùn)行，電纜同時(shí)用于電子和電氣電路

　　圖 4：IEC 61000-4-5 為電涌抗擾度定義了四個(gè)測(cè)試等級(jí)。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　3)IEC 61000-4-4涉及對(duì) EFT 的保護(hù)(圖 5)。EFT 由電感負(fù)載的運(yùn)行引起，如配電系統(tǒng)中的重型電機(jī)、繼電器、開關(guān)接觸器，以及功率因數(shù)校正設(shè)備的切換。

　　圖 5：所示為 IEC 61000-4-4 所描述的 EFT 脈沖波形。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　請(qǐng)注意，EFT 通常只用兩個(gè)成對(duì)的數(shù)字來(lái)表征：上升到峰值的時(shí)間(t1)和瞬態(tài)下降到峰值 50%之前的脈沖持續(xù)時(shí)間(t2)。8/20 微秒 (μs) 瞬態(tài)是工業(yè)應(yīng)用中常見的脈沖。

　　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)，該標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)、軍事和航空航天系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用(圖 6)。

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

　　TVS 設(shè)備解決問(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。它們與正常電路平行安裝，以保護(hù)內(nèi)部元件免受短時(shí)(瞬態(tài))和中/高電壓的影響(圖 7)。

　　圖 7：TVS 二極管橫跨輸入端，置于受保護(hù)線路和系統(tǒng)接地之間。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　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)干擾設(shè)備的電源或信號(hào)傳輸。然而，當(dāng)TVS 二極管的端子受到瞬間高能量沖擊時(shí)，它會(huì)迅速進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)(稱為雪崩擊穿)，吸收大電流并將電壓鉗位到安全水平，從而保護(hù)下游電路元件。

　　TVS 二極管分為單向或雙向 P-N 結(jié)器件。盡管名稱相同，但大多數(shù)單向 TVS 二極管都能抑制兩個(gè)極性的電壓。不同之處在于，單向型 TVS 二極管具有不對(duì)稱的電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向型 TVS 二極管具有對(duì)稱的 V-I 特性(圖 8)。雙向 TVS 二極管非常適合保護(hù)具有雙向或高于和低于地電壓信號(hào)的電氣節(jié)點(diǎn)。

　　圖 8：TVS 二極管的名稱并不反映任何固有的方向性。相反，單向 TVS 二極管具有不對(duì)稱的電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向二極管則具有對(duì)稱的 V-I 特性。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　頂級(jí)參數(shù)、封裝和位置決定了 TVS 的性能

　　TVS 二極管有許多高級(jí)規(guī)格。其中包括：

　　標(biāo)稱反向工作最大電壓 (VRWM)：也稱為反向阻抗電壓，是 TVS 二極管 "關(guān)斷 "時(shí)的最大工作電壓

　　擊穿電壓 (VBR)：TVS 二極管發(fā)生雪崩擊穿時(shí)產(chǎn)生低阻抗的電壓

　　反向漏電流 (IR)：TVS 二極管反向偏置時(shí)流過(guò)的電流

　　鉗位電壓 (Vc)：TVS 二極管額定脈沖電流峰值 (Ipp) 時(shí)兩端的電壓

　　電容：輸入引腳與另一參考點(diǎn)(通常為地面/大地)之間存儲(chǔ)電荷的量度，通常以皮法拉德 (pF) 為單位，通常使用 1 兆赫 (MHz) 信號(hào)進(jìn)行測(cè)量

　　峰值電流 (Ipp)：電流波形最大正振幅與最大負(fù)振幅之差

　　選擇 TVS 二極管通常需要四個(gè)步驟：

　　選擇截止電壓高于正常工作電壓的二極管

　　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)事件中處理所需的功率

　　計(jì)算所選二極管的最大鉗位電壓( VCL )

　　確認(rèn)計(jì)算出的VCL小于受保護(hù)引腳的指定絕對(duì)最大額定值

　　在電路板上放置 TVS 器件對(duì)于充分發(fā)揮這些器件的性能至關(guān)重要。為獲得最佳浪涌保護(hù)，二極管應(yīng)盡可能靠近電壓入口點(diǎn)(如 I/O 端口)，以盡量減少寄生效應(yīng)對(duì)有效抑制快速瞬態(tài)浪涌的影響。

　　TVS 示例說(shuō)明了產(chǎn)品范圍

　　伊頓的TVS 二極管非常適合I/O 接口以及高速數(shù)字和模擬信號(hào)線路中的過(guò)壓保護(hù)。它們具有極低的鉗位電壓、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 二極管必須能抵御各種電壓和電流。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。來(lái)自四個(gè)不同家族的例子可以說(shuō)明這些問(wèn)題。

　　1)SMFE 系列的峰值脈沖功率為 200 瓦，波形為 10/1000 微秒。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 毫米，優(yōu)化了移動(dòng)和可穿戴設(shè)備的電路板空間。

　　SMFE5-0A是該系列中的一員(圖9)。它的鉗位電壓為9.2 伏，Ipp為21.7 安培(A)，支持單向或雙向使用。工作電壓高于10 V 時(shí)，反向漏電流小于1 μA，響應(yīng)時(shí)間快，從0 伏到VBR的響應(yīng)時(shí)間通常小于1.0 皮秒(ps)。

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

　　2)ST 系列可保護(hù)一條雙向輸入/輸出線，針對(duì) 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。該系列的產(chǎn)品(如 33 伏、12 AIpp STS321120B301)采用小型 SOD-323 SMT 封裝，尺寸為 1.8 × 1.4 × 1.0 毫米，每條線路的額定峰值脈沖功率為 400 瓦(tP= 8/20 μs)。該系列二極管支持 2.8 伏直流 (VDC) 至 70伏直流的工作電壓，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)。

　　3) AK 系列由大功率TVS 二極管組成，具有高達(dá)10,000 A 的保護(hù)能力，專為滿足交流和直流應(yīng)用中惡劣的浪涌測(cè)試環(huán)境而設(shè)計(jì)。這些二極管的特點(diǎn)是斜坡電阻低，并且由于采用了快退技術(shù)，因此鉗位系數(shù)極高。它們符合UL1449 浪涌保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)，適用于消費(fèi)電子、電器、工業(yè)自動(dòng)化或交流線路保護(hù)等應(yīng)用。 (注：斜坡電阻或動(dòng)態(tài)電阻是二極管在施加交流電壓時(shí)提供的電阻;快返是一種器件過(guò)程，即使在較低電壓下，大電流也會(huì)繼續(xù)傳導(dǎo))。

　　為滿足安培數(shù)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 夾鉗和 6000 AIpp二極管(圖 10)。該二極管的引線長(zhǎng) 25 毫米，"中心 "體近似正方形，尺寸約為 13 × 15 毫米。

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

　　4)SMAJExxH 系列SMA 尺寸 TVS 二極管的獨(dú)特之處在于，它們符合汽車應(yīng)用所需的 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)。它們能提供 400 瓦的峰值脈沖功率(波形為 10/1000 μs)，響應(yīng)時(shí)間快，從 0 V 到VBR 的響應(yīng)時(shí)間通常小于 1.0 ps，10 V 以上的紅外電流小于 1 μA。

　　該系列器件的電壓范圍為5 至440 伏，每種器件都有單向和雙向版本，其中包括SMAJE22AH，它具有35.5 伏鉗位電壓和11.3 A Ipp(圖11)。該系列的所有器件均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 易燃性等級(jí)(圖11)。

　　圖 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二極管符合 AEC-Q101 所要求的汽車標(biāo)準(zhǔn);它還使用符合 UL 94 V-0 易燃性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的塑料包裝。(圖片來(lái)源：伊頓)

　　結(jié)束語(yǔ)

　　靜電、電機(jī)啟動(dòng)或附近閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電會(huì)損壞電子系統(tǒng)及其元件。TVS 二極管幾乎能在瞬間響應(yīng)這些過(guò)電壓，并將瞬態(tài)電壓和能量轉(zhuǎn)移到地，從而保護(hù)系統(tǒng)。如圖所示，伊頓提供各種系列的 TVS 二極管，每個(gè)系列由許多額定電壓不同的器件組成，以滿足預(yù)期的瞬態(tài)電壓量級(jí)、終端產(chǎn)品限制和法規(guī)要求，同時(shí)只需要幾平方毫米的電路板面積。