在电子电路的防护设计中，瞬态电压抑制器（TVS）扮演着至关重要的角色。TVS 能够有效保护电路免受电压尖峰、浪涌等异常电压干扰，广泛应用于各类产品的接口电路，可针对雷击浪涌、电快速瞬变脉冲群（EFT）、静电放电（ESD）等干扰信号进行防护。对于电子工程师而言，掌握 TVS 防护器件的合理选型是一项必备技能。本文将对 TVS 防护设计选型的关键点进行全面总结，为大家提供详细的选型指导。
TVS 管主要分为单向 TVS 和双向 TVS，它们的电路图符号和 I - V 电气特性图如下：
TVS 器件的关键性参数如下表所示：
| 参数 | 名称 | 含义 |
|---|
| Pppm | 峰值脉冲功率等级 | 决定 TVS 耐受瞬态能量的能力 |
| Vr | 反向截止电压 | TVS 在电路正常工作时承受的持续电压 |
| Vbr | 击穿电压 | TVS 击穿短路时的电压 |
| Vc | 钳位电压 | 瞬态冲击下 TVS 限制的峰值电压（需低于被保护器件耐压） |
| Ipp | 峰值脉冲电流 | TVS 可承受的瞬态电流（需覆盖实际浪涌强度） |
| Ir | 反向漏电流 | 正常工作时的漏电流 |
| Rd | 动态电阻 | 直接影响箝位响应速度 |
| Cj | 结电容 | 影响信号完整性（高速接口需低电容） |
明确设计目标是合理选型 TVS 器件的重要前提。可以根据产品实际使用时所要达到的保护效果来确定目标，也可以依据产品规范所需要符合的电磁兼容性（EMC）标准，如雷击、EFT、ESD 等标准来制定浪涌电流的设计目标。不同的防护标准对选型器件的功率等级、响应速率要求不同，其中防雷击的标准要求。
在用作雷击防护时，通常需要将 TVS 管放在第二、三级进行防护，而级还需要加上气体、金属氧化物（MOV）等更高功率等级的防护器件。常见的防护相关国际标准和行业标准如下：
- IEC 61000 - 4 - 2（静电放电 ESD 防护）
- IEC 61000 - 4 - 5（浪涌抗扰度）
- ISO 7637 - 2（汽车电子瞬态干扰）
- 通信设备（GR - 1089 - CORE）
- 工业控制（GB/T 17626.5）
- 消费电子（YD/T 993）
- 脉冲功率等级：VRWM ≥ 系统工作电压 × 1.2。例如，对于 5V 系统，应选择 VRWM≥6V 的 TVS 器件。
- 确定 Vr 参数：根据电路中的工作电压来确定 TVS 管的反向截止电压值，一般选择 Vrwm 的值是被保护电路的工作电压的 1.2 倍。
- 击穿电压（VBR）：需比 Vrwm 略高，通常 VBR = 1.2×Vrwm，以确保在正常电压下 TVS 管完全截止。
- 箝位电压（Vc）：这是保护后电路实际承受的电压，必须低于被保护器件的耐压值。例如，某微控制器（MCU）耐压 30V，则 TVS 的 Vc 需≤25V。
- 动态电阻（Rd）：直接影响箝位响应速度，低 Rd 能更快抑制尖峰。在 ESD 防护中，Rd 应≤1Ω。
- 结电容：TVS 的结电容通常位于几十皮法至几十纳法的范围内。在相同功率等级的 TVS 中，电压越低，其结电容值则越高。在通信线路的应用中，必须留意 TVS 的结电容，以确保不会干扰线路的正常运作。
- Ir（漏电流）：在通信电路及低功耗电路中，漏电流 Ir 是一个需要特别关注的参数，它不能影响系统的效率和正常工作。通常，低电压 TVS 的漏电流相对较大。若条件允许，建议选择 10V 以上的 TVS，这样其漏电流会相对较小。若确实需要选择低压且漏流低的 TVS，可选择相应的低漏流 TVS 产品。
不同标准下的 TVS 要求和适用场景如下：
- IEC 61000 - 4 - 2（静电放电 ESD 防护）
- 测试等级：接触放电 ±8kV（Level 4）、空气放电 ±15kV。
- TVS 要求：响应时间 < 1ns，Ipp≥30A（如 ESD9L5.0ST5G）。
- 适用场景：手机接口、USB 端口。
- IEC 61000 - 4 - 5（浪涌抗扰度）
- 电源端口：Ipp≥20A（如 SMBJ 系列）。
- 通信线路：Ipp≥5A（如 SMAJ 系列）。
- 测试波形：1.2/50μs（电压波）+8/20μs（电流波）。
- ISO 7637 - 2（汽车电子瞬态干扰）
- 典型脉冲：Pulse 1： - 100V（负载突降）；Pulse 3a/b：+150V/- 220V（感性负载切换）。
- TVS 要求：耐压≥40V（12V 系统）或≥60V（24V 系统）；AEC - Q101 （如 SM8S36A）。
不同行业标准的具体要求如下：
- 通信设备（GR - 1089 - CORE）
- 雷击测试：10/700μs 波形，电压 6kV，电流 3kA。
- 推荐方案：气体放电管（GDT）+TVS 二级防护（如 SMDJ75CA）。
- 工业控制（GB/T 17626.5）
- 测试等级：4 级（4kV 浪涌，线 - 地耦合）。
- 消费电子（YD/T 993）
- 三相电源采用三相 TVS 阵列（如 LCP6 - 600D）。
- 总线防护选用低电容 TVS（Cj<10pF）。
- 电话线路防护：雷击测试：1.2/50μs - 8/20μs 组合波，4kV；推荐器件：SL1021B（集成 TVS + 自恢复）。
器件的封装选型需要考虑空间限制和热管理要求。在空间受限的小型设备中，可选择 SOD - 323（1.7×1.25mm）贴片封装；而在大功率场景下，则需要选择 DO - 214AB（SMC）等更大尺寸的封装。在大电流场景（如汽车电池系统）中，需要通过热阻（RθJA）计算温升，确保在特定环境温度下，施加脉冲时温度低于结温限值（通常 175℃）。例如，在 85℃环境下，施加 100A 脉冲时，要保证温度不超过结温限值。
关键词：TVS 防护器件
