TVS管学习记录

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前言

TVS管学习记录，学习了TVS的关键参数，反向截至电压和钳位电压，学习了它们的关联和区别，以及实际的应用举例

一、TVS是什么？

也叫雪崩击穿二极管，主要功能是在电路中快速响应和抑制瞬态电压，防止电压对电子设备造成损坏，TVS管本质上是一个具有反向击穿特性的二极管，在正常工作状态下，TVS管处于高阻态，对电路影响很小，当电路中出现瞬态过电压时，TVS管的阻抗瞬间降低，使得电压通过TVS管，而非敏感元件，防止电压对电子设备造成损坏
TVS管有单向与双向之分，单向TVS管一般应用于直流供电电路，双向TVS管应用于电压交变的电路。

二、TVS关键参数

其中有两个参数需要重点理解
一个是反向截至电压V_RWN和最大钳位电压VC

1.反向截至电压

反向截止电压（V_R）指TVS管在正常工作状态下不导通的最高电压。当电路工作电压低于V_R时，TVS管处于高阻状态，几乎不消耗电流，不影响电路正常工作。

• 选择依据：
  V_R需略高于被保护电路的最高工作电压（例如，若电路工作电压为5V，通常选择V_R为6.5V或8V），确保TVS管在正常运行时不会误触发

实际意义

• 阈值保护：V_R是TVS管开始响应的“警戒线”，超过此电压时，TVS管迅速导通，进入保护模式。
• 静态特性：在稳态下，TVS管的漏电流极小（通常为微安级），避免对系统功耗造成显著影响。

2.钳位电压

定义与作用

• 定义：钳位电压（V_C）是TVS管在瞬态过压事件中导通后，将电压限制到的最高安全值。例如，若V_C为30V，即使输入瞬态电压高达100V，TVS管也会将后端电压钳制在30V以内。
• 测试条件：V_C通常在标准脉冲电流（如8/20μs波形）下测量，需结合具体应用场景的浪涌等级选择。

选择依据

• 后端耐受能力：V_C必须低于被保护元件的最大耐压值（如芯片的极限电压），否则可能损坏器件。例如，某芯片耐压为40V，则需选择V_C ≤ 40V的TVS管。
• 动态特性：TVS管的响应时间极短（皮秒至纳秒级），确保在过压出现时迅速钳位。

4. 实际应用示例

场景：通信端口的ESD保护

• 系统工作电压：5V（如USB接口）。
• TVS选型：
  • 选择V_R = 5.5V或6V（略高于5V，避免误触发）。
  • 根据后端芯片耐压（如20V），选择V_C ≤ 20V的TVS管（如V_C=15V@8A脉冲）。
• 效果：当静电放电（如±15kV）侵入时，TVS管在纳秒内将电压钳位至15V，保护芯片安全。

3.反向截至电压和钳位电压的关联和区别

• 误区2：仅关注V_C而忽略V_R

  • 错误：选择V_C很低的TVS，但V_R过低导致频繁误导通。
  • 正确：需平衡V_R与V_C，同时满足系统耐压与保护需求。

• 测试条件的重要性

  • V_C与脉冲电流大小强相关，需参考数据手册中的测试波形（如I_PP=10A或20A）选择合适型号。

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. 小结

• 反向截止电压（V_R）：系统正常运行的“安全阈值”，需高于工作电压并留足余量。
• 钳位电压（V_C）：瞬态过压时的“安全天花板”，必须低于被保护器件的极限耐压。
• 选型关键：根据工作环境（如浪涌等级、电压波动）选择V_R与V_C，并参考脉冲电流、功率等参数，确保TVS管在瞬态事件中可靠动作，同时不影响系统正常运行。
  若TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

三、实际应用电路举例

TVS是用于瞬时的过压保护，所以对于持续的过压是无能为力的，对于持续超过峰值电流的场景，将导致TVS损坏，所以最好在TVS管前面加一个保险管，在TVS管先挂掉之前，PPTC先失效再恢复

那么如何选择PTC和TVS呢，
首先TVS功率足够大，其次是PTC响应时间足够短
(1) PTC选型
由于RS485的工作电流非常小，PTC电流选择最小的即可，关键参数是跳闸时间Trip，Trip越小越好，越小跳闸时间越短，对TVS的功率要求越低，封装越小，成本越低。
比如说
我们选一个
SMD1812B020TF电流和电压满足要求，，跳闸时间Trip是最短的，为0.02S。


(2) TVS选型：
由于RS485的工作电压VCC为5V，极限电压为12V，所以我们这里的选择依据是- 选择依据：
V_R需略高于被保护电路的最高工作电压（例如，若电路工作电压为5V，通常选择V_R为6.5V或8V），确保TVS管在正常运行时不会误触发

并且考虑后端耐受能力
后端耐受能力：V_C必须低于被保护元件的最大耐压值（如芯片的极限电压），否则可能损坏器件。例如，某芯片耐压为40V，则需选择V_C ≤ 40V的TVS管
因此TVS的工作电压Vrwm＞5V，钳位电压≤12V；可以预选SMBJ6.5A。Vrwm=6.5V，Vc=11.2V。

TVS的功率选型
a. 估算实际TVS需要承受的热量
假设TVS工作在最大钳位电压，流过的电流为保险管的跳闸电流：
Qact=Pt=UIt=VcI tripTptc=11.2V8*0.02S=1.792J
b. 估算实际TVS的实际功率
一般厂家给出的TVS测试的功率都是在8~10us的脉冲宽度下测量的，可能不同厂家标准不一样，但都大同小异，因此需要将上述的估算的热量折算为比如8uS时对应的TVS的功率。
Qact/8us=1.792J/8us=224W
换算成峰值电流为：Ipp=P/Vc=224W/11.2V=20A
因此，最终TVS选择SMBJ6.5A。Vrwm=6.5V，Vc=11.2V。

TVS的功率要求越低，封装越小，成本越低。因为我们要防护的接口很多，比如说我们电路用的是正常电流0.2A的PTC，但是选用的是160A的TVS，比例接近800倍，不可想象，如果用一个2A的PTC电源端口，TVS的功率需要超过15KW，售价接近10元，这个成本不可能的。
所以大部分用的是低成本的TVS,甚至是不用保险丝，串一个0402的电阻，直接限流并且，功率超了直接熔断了，TVS的功率可以选择乘以实际计算的0.5~0.8系数甚至更小。

总结

以上就是今天要学习的内容，
参考文档：
如何设计过压保护电路？