【电路设计】TVS 瞬态抑制二极管选型与应用笔记

1. TVS 简介TVSTransient Voltage Suppressor瞬态电压抑制二极管是一种用于抑制电压瞬态冲击的保护器件。它的主要作用吸收 ESD 静电抑制电源浪涌限制瞬态过电压保护后级 IC、电源芯片、MCU、通信接口等TVS 的特点响应速度快ns级通流能力强适合保护瞬态冲击不适合长时间过压保护典型应用DC 电源输入保护USB 接口RS485/CAN网口HDMI电机控制器工业设备输入端2. TVS 工作原理正常工作时TVS处于截止状态电源 ---- TVS ---- GND 12V输入 TVS不导通只有极小漏电流。当输入出现瞬态高压例如12V ↓ 40V尖峰 ↓ TVS进入击穿区域 ↓ 快速导通 ↓ 将电压限制在安全范围TVS通过大电流泄放把能量导入地从而保护后级。3. TVS I-V曲线解读3.1 VRWMReverse Stand-Off Voltage中文反向截止电压 / 最大工作电压定义TVS不会动作的最大工作电压。例如VRWM 12V表示12V以内TVS基本关闭。特点决定正常工作电压范围必须大于系统最高工作电压例如12V系统正常范围10.8V ~ 13.8V则VRWM不能选择11V否则可能产生漏电或者误动作。一般选择VRWM ≥ 最大正常电压 × 1.13.2 VBRBreakdown Voltage中文击穿电压定义TVS开始明显导通的电压。例如VBR 12.2~13.5V表示在测试电流 IT 下TVS进入雪崩状态。注意VBR不是一个固定开关点。实际12V 关闭 13V 开始导通 14V 大量导通TVS是一条连续曲线而不是开关。3.3 VCClamping Voltage中文最大钳位电压这是保护设计中最重要的参数之一。定义当TVS通过规定峰值电流 IPP 时两端最高电压。例如SMAJ11CAIPP 22A VC 18.2V表示当浪涌电流达到22ATVS两端约18.2V注意VC不是正常工作电压。关系VRWM VBR VC例如SMAJ11CAVRWM 11V VBR 12.2~13.5V VC 18.2V3.4 IRReverse Leakage Current中文反向漏电流定义在VRWM电压下TVS流过的漏电流。例如IR 1uA影响低功耗电路电池设备如果电池供电需要关注IR。3.5 IPPPeak Pulse Current中文峰值脉冲电流表示TVS能够承受的最大浪涌电流。例如IPP 22A表示标准浪涌条件下可泄放22A峰值电流。3.6 PPPPeak Pulse Power中文峰值脉冲功率计算PPPVC×IPP P_{PP}V_C \times I_{PP}PPP​VC​×IPP​例如VC18V IPP22A则P18×22 P18 \times 22P18×22P396W≈400W P396W \approx 400WP396W≈400W4. TVS浪涌波形解读图中输入浪涌电压黑色曲线表示没有保护时的异常电压。例如12V ↓ 50V尖峰TVS电流绿色实线表示TVS吸收的浪涌电流。电压达到VBRTVS开始导通电流快速增加。TVS两端电压绿色虚线表示实际被限制后的电压。也就是后级看到的电压。5. TVS功率曲线这张图说明浪涌持续时间越长TVS能够承受的功率越低。例如短时间10us可以承受几十kW。长时间10ms能力下降。原因TVS会产生热量。6. 单向TVS和双向TVS区别6.1 单向TVSUnidirectional结构类似TVS 稳压二极管特性正向VBR保护反向类似普通二极管约0.7V导通优点负压保护能力强钳位更低应用电源保护例如12V输入 | TVS | GND推荐DC电源电池输入汽车电源6.2 双向TVSBidirectional结构TVS | | 反向串联 | TVS正负方向特性相同。特点正负电压都需要达到击穿电压。应用通信接口例如RS485A/B差分信号CANCANH CANLUSBD D-因为这些信号存在正负摆动。7. TVS选型原则第一步确定正常工作电压例如12V系统实际12V ±10%最高13.2V第二步选择VRWM原则VRWM 最大工作电压例如12V系统选择VRWM14V更安全。第三步检查VC这是保护能力。要求VC 后级最大耐压例如MCU最大16V则希望VC 16V第四步检查浪涌能力根据环境普通设备400W~600W工业1500W以上8. 实际应用案例案例112V电源输入保护需求工作电压12V 最高允许16V设计12V输入 | 保险丝 | TVS | DC/DC | 负载选择SMAJ11A / SMAJ11CA参数VRWM≈11V VBR≈12~13V VC≈18V适合抑制插拔尖峰电机干扰电源瞬态如果要求严格16V以内增加OVP过压保护案例2STM32 GPIO保护例如GPIO3.3V选择低电容TVS。关注Cj结电容VC不要选择普通大功率TVS。案例3RS485接口特点差分信号正负摆动选择双向TVS。连接A ---- TVS ---- GND B ---- TVS ---- GND关注低电容IEC ESD等级9. 常见错误错误1只看VR例如12V系统选VR12V问题实际可能13.8V工作。TVS长期漏电。错误2认为TVS能稳压错误24V输入 TVS输出12V实际TVS只能吸收瞬态。错误3忽略VC例如芯片耐压16V选择VC25V保护无效。10. 总结TVS重点关注参数参数含义选型关注VRWM最大正常工作电压必须高于系统最高电压VBR开始击穿电压决定动作区域VC最大钳位电压决定后级是否安全IPP最大浪涌电流决定抗冲击能力PPP峰值功率决定吸收能力IR漏电流低功耗关注Cj结电容高速信号关注最终选型口诀VR看正常VBR看启动VC看保护IPP看抗冲击Cj看速度。对于电源保护优先看VRWM VC IPP对于高速接口优先看VC Cj这三个参数基本决定了TVS是否选得合理。