TVS二极管

TVS引起的两起事故案例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。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。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。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。什么是TVS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。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。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。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。TVS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。TVS和ZD齐纳二极管的区别注意一下虽然 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。TVS二极管的应用场景结合ROHM官网的资料TVS主要分为以下几个方面的应用场景。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。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。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。一般对外接口我们都会加上ESD静电管。TVS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 VRWMVBRVCIPPIR。截止电压VRWMVRWM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咱们来举个例子假设电路的工作电压为VCC5V一般VRWM应大于等于1.2倍VCC即6V。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。击穿电压VBRVBR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流到GND以保护电路内部元器件。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。最大钳位电压VCVC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。峰值脉冲电流IPPIPP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。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。反向漏电流IRIR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。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。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。TVS二极管设计的注意事项1、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。