TVS二极管选型时关键参数有哪些？

Question

在TVS二极管选型过程中，如何正确理解并匹配关键参数是确保电路可靠防护的核心。常见的技术问题是：**如何根据实际应用选择TVS二极管的击穿电压（VBR）、钳位电压（VC）和最大峰值脉冲电流（IPP）？** 许多工程师在设计电源或信号线保护电路时，因对VBR与工作电压的关系把握不准，导致TVS误动作或无法有效保护。同时，忽略VC与被保护器件耐压能力的匹配，可能造成后级器件损坏。此外，IPP参数常被低估，导致TVS在瞬态浪涌下过热失效。因此，合理评估这些参数与系统需求的匹配度，是实现高效、可靠静电和浪涌保护的关键。

Answer 1

TVS二极管选型关键参数深度解析：从基础到系统级匹配

1. TVS二极管基本工作原理与核心参数概述

瞬态电压抑制二极管（TVS，Transient Voltage Suppression Diode）是一种用于保护敏感电子器件免受静电放电（ESD）、雷击浪涌和电感负载切换等瞬态过压事件影响的半导体器件。其核心功能是在正常工作电压下呈现高阻态，当电压超过阈值时迅速导通，将瞬态能量泄放到地。

在选型过程中，三个关键参数至关重要：

• VBR（击穿电压）：TVS开始雪崩击穿的最小电压，通常定义为漏电流达到1mA时的电压值。
• VC（钳位电压）：在规定峰值脉冲电流IPP下，TVS两端的最大电压，反映其实际保护水平。
• IPP（最大峰值脉冲电流）：TVS可承受的最大瞬态电流，决定其能量吸收能力。

2. 击穿电压VBR与系统工作电压的匹配原则

选择合适的VBR是防止TVS误触发或失效的第一步。基本原则是：VBR必须高于电路的最大正常工作电压，但足够低以确保在过压发生前及时响应。

应用场景	工作电压	推荐VBR范围	安全裕量
USB 5V供电	5.5V max	6.4V ~ 7.2V	≥10%
12V汽车电源	16V max	18V ~ 22V	≥15%
RS-485信号线	±5V	±6.5V ~ ±8V	≥20%
3.3V逻辑接口	3.6V max	4.0V ~ 4.5V	≥10%
PoE供电线路	48V nominal	58V ~ 65V	≥20%

3. 钳位电压VC与被保护器件耐压能力的协同设计

VC是TVS在导通状态下所能限制的最高电压，必须低于后级IC或元器件的最大耐受电压，否则即使TVS动作，仍可能导致损坏。

例如，一个MCU的I/O引脚最大耐压为7V，则所选TVS在对应IPP下的VC必须小于7V，建议留出至少15%的安全余量，即VC ≤ 5.95V。

// 示例：计算所需TVS钳位电压上限
#define MCU_MAX_VOLTAGE     7.0f     // MCU I/O最大耐压 (V)
#define SAFETY_MARGIN       0.15f    // 安全裕量 15%
float max_allowed_VC = MCU_MAX_VOLTAGE * (1 - SAFETY_MARGIN);
// 结果：max_allowed_VC = 5.95V

4. 最大峰值脉冲电流IPP的评估与能量匹配

IPP决定了TVS能承受多大的瞬态电流而不损坏。它与标准测试波形（如IEC 61000-4-5中的8/20μs电流波）密切相关。

工程师常犯的错误是仅参考数据手册标称IPP值，而未结合实际浪涌等级进行校验。正确做法如下：

1. 确定系统可能遭遇的浪涌等级（如Lightning Surge Level 4）
2. 获取对应的浪涌电流波形（如8/20μs, 2kA）
3. 查阅TVS datasheet中IPP vs. Pulse Width曲线
4. 验证所选TVS在该条件下是否满足IPP要求
5. 检查单次与重复脉冲的能量耐受能力（P_ppm）
6. 考虑PCB布局对热耗散的影响
7. 必要时并联多个TVS分担电流
8. 评估结温上升对寿命的影响
9. 确认封装散热能力（如SOD-123 vs. SMA vs. SMB）
10. 进行实际浪涌测试验证

5. 系统级选型流程图与决策路径

为提升设计效率与可靠性，推荐采用结构化选型流程：

graph TD A[确定应用类型: 电源/信号/高速数据] --> B[获取工作电压范围] B --> C[选择VBR > Vwork_max + 裕量] C --> D[明确浪涌标准: ESD, IEC61000-4-5等] D --> E[提取测试波形与等级] E --> F[计算所需IPP或P_PWM] F --> G[筛选满足IPP的候选TVS] G --> H[检查VC < 被保护器件耐压] H --> I[评估封装热性能与PCB布局] I --> J[原型测试与验证]