遇到解决不了的EMC问题，是一件很痛苦的事情

大家好，我是王工。今天在这里跟大家分享一下有关TVS二极管的基础知识。011因为TVS引起的两起事故在这里，王工给大家分享两起工作中遇到的两个因为TVS引起产品失效的事故。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。抱着学习的心态，我又梳理了一遍TVS的基础知识，在此也分享给大家，希望能让更多人知道它的重要性，少走弯路、少踩坑。021什么是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。 图源 | ROHM官网再来看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。 图源 | ROHM官网TVS和ZD齐纳二极管的区别注意一下图源 | ROHM官网虽然 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。031TVS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。防止ESD通过电子设备的连接器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。防止通过开关进入ESD以及人体接触的按钮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。通信网络的ESD防护一般对外接口我们都会加上ESD静电管。041TVS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：VRWM，VBR，VC，IPP，IR。截止电压（VRWM）VRWM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VCC=5V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（VBR）VBR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，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（VC）VC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（IPP）IPP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（IR）IR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。051TVS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。声明： 声明：原创文章，转载请注明出处。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。来源：硬件笔记本