在电子电路的防护领域，TVS（瞬态电压抑制器）宛如一位忠诚的卫士，为电路抵御瞬间的电压冲击，守护着后级电路的安全。然而，对于许多电子工程师而言，TVS 的选型过程犹如迷雾中的旅程，缺乏清晰的理论指导。本文将深入剖析 TVS 的工作原理、关键参数，详细阐述其计算与选型方法，并通过实际进行说明，让工程师们在面对 TVS 选型时能够游刃有余。
TVS，即瞬态电压抑制器，也被称为雪崩击穿，是采用半导体工艺制成的单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件。它分为单向和双向两种类型，单向 TVS 通常应用于直流供电电路，而双向 TVS 则适用于电压交变的电路。
在直流电路中，单向 TVS 反向并联于电路。当电路正常工作时，TVS 处于截止状态，呈现高阻态，对电路的正常运行毫无影响。但当电路出现异常过电压，且该电压达到 TVS 的雪崩击穿电压时，TVS 会迅速从高电阻状态转变为低电阻状态，将由异常过电压引发的瞬时过电流泄放到地，同时把异常过电压钳制在较低水平，从而保护后级电路免受损坏。当异常过电压消失后，TVS 的阻值又会恢复为高阻态。
要想合理运用 TVS，就必须深入了解其关键参数。
- Vrwm 截止电压：这是 TVS 的工作电压，是可连续施加而不会导致 TVS 劣化或损坏的工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，用工作电压有效值表示。在 Vrwm 下，TVS 处于不工作状态，即不导通。因此，电路的工作电压必须小于 Vrwm，否则会使 TVS 动作，影响电路正常运行。
- IR 漏电流：也称为待机电流，是在规定温度和工作电压条件下，流过 TVS 的电流。一般在截止电压下测量 TVS 的漏电流，对于某一型号的 TVS，IR 应在规定值范围内。对 TVS 两端施加电压值为 Vrwm，从中读出的电流值即为 TVS 的漏电流 IR。对于同功率和同电压的 TVS，在 Vrwm ≤ 10V 时，双向 TVS 的漏电流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。在一些模拟端口，漏电流会影响 AD 的采样值，所以 TVS 的漏电流越小越好。
- VBR 击穿电压：指在 V - I 特性曲线上，在规定的脉冲直流电流 IT 或接近发生雪崩的电流条件下测得 TVS 两端的电压。测试电流 It 一般选取 10mA 左右，施加电流的时间不应超过 400ms，以免损坏器件。VBR MIN. 和 VBR MAX. 是 TVS 击穿电压的偏差，一般 TVS 的偏差为 ±5%。测量时，VBR 落在 VBR MIN. 和 VBR MAX. 之间视为合格品。
- IPP 峰值脉冲电流和 VC 钳位电压：IPP 是给定脉冲电流波形的峰值，TVS 一般选用 10/1000μs 电流波形。VC 是施加规定波形的峰值脉冲电流 IPP 时，TVS 两端测得的峰值电压。IPP 和 VC 是衡量 TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，二者相互关联。对于 TVS 在防雷保护电路中的钳位特性，可参考 VC 参数。对于相同型号的 TVS，在相同 IPP 下，VC 越小，说明 TVS 的钳位特性越好。TVS 的耐脉冲电流冲击能力可参考 IPP，同型号的 TVS，IPP 越大，耐脉冲电流冲击能力越强。
- 结电容 CI 和漏电流 Ir：结电容是 TVS 中的寄生电容，在高速 IO 端口保护中需要重点关注，过大的结电容可能会影响信号质量。漏电流主要会带来功率损耗，在模拟信号中还会影响 AD 信号的采样值。
了解 TVS 的基本参数后，就可以进入关键的选型阶段。选型的目标是：电压合适以保护后级电路；引入的 TVS 结电容不影响电路；TVS 功率余量充足，满足测试标准，且不能比先损坏。选型过程可按以下步骤进行：
- 选择 TVS 工作电压 Vrwm：在电路正常工作时，TVS 应处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的工作电压，以确保 TVS 在电路正常工作时不影响电路。但 TVS 的工作电压高低也决定了其钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不宜过高，否则钳位电压会较高。综合考虑，Vrwm 可参考公式：Vrwm ≈ 1.1 ~ 1.2 * VCC ，其中 VCC 为电路的工作电压。
- 选择 TVS 钳位电压 VC：TVS 钳位电压应小于后级被保护电路可承受的瞬态安全电压。VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 IPP 都成正比，对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高，VC 也越高。所选 TVS 的箝位电压 Vc 不能大于被防护电路可以承受的电压，否则会对电路造成损坏。Vc 可参考公式：VC ＜ Vmax ，其中 Vmax 为电路能承受的电压。
- 选择 TVS 的功率 Pppm（或者 Ipp）：TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的瞬态浪涌功率。理论上，TVS 的功率越大越好，能承受更多的冲击能量和次数，但功率越高，TVS 的封装越大，价格也越高，所以 TVS 的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 VC 值相同，只是 IPP 不同。故 Pppm 与 Ippm 成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。对于某一电路，有对应的测试要求，设实际电路中的测试电流为 Iactual ，则 Iactual 可估算为：Iactual = Uactual / Ri ，其中 Uactual 为测试电压，Ri 为测试内阻。TVS 要通过测试，实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的功率 Pactual 为：（此处原文未给出完整公式）。实际选型中，TVS 应留有一定裕量，TVS 的功率 Pppm 选择应遵循 Pppm ＞ Pactual。
- 评估漏电流 Ir 的影响：如果 TVS 用于高速 IO 端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，需要考虑漏电流的影响，漏电流越小越好。
- 评估结电容的影响：在高速 IO 端口保护中，要关注结电容对信号质量的影响，结电容越小越好。
下面通过一个实际来具体说明 TVS 的选型过程。已知电路的正常工作电压 VCC 是 24V，工作电压 Vmax 是 26V，后级电路可承受的瞬态电压为 50V，实验的测试波形为 8/20μs 波形，测试电压 500V，测试内阻及 PPTC 的静态电阻合计为 2Ω。
- 选择 TVS 工作电压：根据公式 Vrwm ≈ 1.1 ~ 1.2 * VCC，可得 Vrwm ≈ 26 ~ 28V。
- 选择 TVS 钳位电压：由于 VC ＜ Vmax，所以 VC ＜ 50V。
- 计算实际测试波形功率：Pact = Vc * Iactual = 50 * (500 / 2) * 1 / 2 = 6250W（此处原文计算有误，应为 50 * (500 / 2) * 1 / 2 ）。根据计算结果，可以选用 5.0SMDJ26A 这个 TVS，由于该 TVS 用于电源端口，结电容和漏电流基本可以忽略不计。
