與任何電子電路一樣，當(dāng)瞬態(tài)電壓浪涌超過(guò)元件額定值時(shí)，能量收集設(shè)計(jì)可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。隨著人們?cè)絹?lái)越關(guān)注在極低電壓可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)中利用能量收集，設(shè)計(jì)人員需要敏銳地意識(shí)到破壞性電壓浪涌的來(lái)源及其緩解方法。通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程早期認(rèn)識(shí)到對(duì)瞬態(tài)電壓抑制（TVS）器件的需求，工程師可以構(gòu)建更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)，能夠在許多瞬態(tài)電壓浪涌源中存活。

突然釋放導(dǎo)致瞬態(tài)電壓浪涌與電源波動(dòng)，突然負(fù)載變化，耦合效應(yīng)，閃電和靜電放電（ESD）等相關(guān)的能量。對(duì)于電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，瞬態(tài)下的能量突發(fā)通常起源于位置，并且由于遠(yuǎn)離受影響電路的情況。例如，遠(yuǎn)距離雷擊的強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以耦合到數(shù)據(jù)線(xiàn)和電源線(xiàn)中，從而可以很好地從雷擊本身中消除大的浪涌電壓。

ESD是由允許帶電的條件造成的通過(guò)接觸和分離兩種非導(dǎo)電材料，直到帶電體與另一種低電位物體接觸為止。例如，在特別干燥的一天穿過(guò)地毯可能導(dǎo)致35kV的電荷（表1）。如果應(yīng)用于未受保護(hù)的可穿戴設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，ESD瞬態(tài)可能會(huì)永久性地?fù)p壞敏感數(shù)字電路。

生成方式10-25％RH 65-90％RH走過(guò)地毯35,000 V 1,500 V走路乙烯基瓷磚12,000 V 250 V <！ - 重復(fù)以下tr以獲得更多行 - >工作人員在工作臺(tái)6,000 V 100 V聚乙烯袋從工作臺(tái)上取出20,000 V 1,200 V椅子與聚氨酯泡沫18,000 V 1,500 V

表1：在特別干燥的日子里在地毯上輕松走動(dòng)會(huì)導(dǎo)致ESD瞬態(tài)大到足以永久性地?fù)p壞電子設(shè)備，而電子設(shè)備的保護(hù)不足以防止瞬態(tài)電壓浪涌。

當(dāng)電荷作為電源或電源構(gòu)建時(shí)會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題。 USB電纜拖過(guò)地毯或由已經(jīng)產(chǎn)生靜電的個(gè)人處理。當(dāng)個(gè)人將電纜接觸到可穿戴設(shè)備的電源端口或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信端口時(shí)，突然放電的瞬態(tài)可能會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)造成永久性損壞。

內(nèi)部保護(hù)

大多數(shù)IC都包含內(nèi)部保護(hù)電路，旨在防止因制造和組裝過(guò)程中可能發(fā)生的ESD沖擊而導(dǎo)致的故障。 I/O線(xiàn)路內(nèi)部保護(hù)的常用方法依賴(lài)于二極管陣列，該陣列設(shè)計(jì)用于將浪涌電流引導(dǎo)到電源軌中，其中瞬態(tài)電壓脈沖的能量被消散。正浪涌脈沖將被鉗位到一個(gè)電壓，該電壓等于高于電源電壓的正向二極管電壓降（V <小> DD ）。由于V SS 引腳通常接地，負(fù)脈沖將被鉗位到地下一個(gè)二極管壓降。

圖1：半導(dǎo)體制造商使用各種專(zhuān)有方法提供器件級(jí)保護(hù)，包括使用內(nèi)部二極管陣列將電流引導(dǎo)遠(yuǎn)離IC內(nèi)的敏感電路。 （由安森美半導(dǎo)體提供）

內(nèi)部保護(hù)電路通常能夠防止組裝中發(fā)生的ESD故障，但通常不足以防止在正常產(chǎn)品使用中發(fā)生的浪涌事件。半導(dǎo)體行業(yè)反映了使用器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)模型來(lái)表征ESD保護(hù)的這種差異。人體模型（HBM）或充電設(shè)備模型（CDM）是設(shè)備級(jí)規(guī)范，旨在在制造和組裝期間提供對(duì)隔離設(shè)備的保護(hù)。 HBM測(cè)試在ANSI/ESDA/JEDEC JS-001標(biāo)準(zhǔn)中正式規(guī)定。 IEC 61000-4-2和ISO 10605用于表示系統(tǒng)級(jí)使用情況，反映更高，更快的電壓浪涌波形（圖2）。

圖2：設(shè)備級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)指定的電流水平明顯低于系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn) - 分別代表組裝和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)浪涌。雖然不同半導(dǎo)體器件的數(shù)據(jù)表可能提供HBM ESD額定值，但系統(tǒng)級(jí)額定值通常僅包括保護(hù)IC或針對(duì)惡劣環(huán)境的IC。 （德州儀器公司提供）

大多數(shù)半導(dǎo)體器件缺乏系統(tǒng)級(jí)額定值是成本和效率的問(wèn)題。二極管的浪涌抑制能力與其結(jié)區(qū)直接相關(guān)，并且隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)的集成變得更加昂貴和困難。因此，內(nèi)部保護(hù)不僅受到保護(hù)水平的限制，而且還受到浪涌數(shù)量的限制。相比之下，外部TVS設(shè)備能夠分配足夠的芯片空間來(lái)提供系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，并為無(wú)限量的浪涌提供免疫力。

外部TVS設(shè)備旨在限制通過(guò)電流的電流。通過(guò)降低浪涌電壓的大小來(lái)保護(hù)IC。理想的外部TVS器件將在IC的內(nèi)部保護(hù)電路之前導(dǎo)通，并消除浪涌的所有能量。實(shí)際上，外部和內(nèi)部保護(hù)電路通常在浪涌事件期間開(kāi)啟。只要流經(jīng)IC內(nèi)部保護(hù)電路的電流仍然限制在較低值，IC的可靠性將基本不受影響。

外部瞬態(tài)保護(hù)器件的替代方案中，TVS二極管通常提供較低的工作電壓與其他瞬態(tài)抑制設(shè)備（如壓敏電阻和晶閘管）相比，電容值更低，動(dòng)態(tài)電阻值更低。此外，TVS器件能夠非常快速地恢復(fù)到高阻態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高ESD多擊吸收能力。

關(guān)鍵布局

即使使用高效的TVS器件也是如此，有效的保護(hù)主要取決于設(shè)計(jì)的物理布局。作為一般規(guī)則，ESD器件應(yīng)盡可能靠近預(yù)期的靜電放電點(diǎn)，電源旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件的正電源軌（VP）引腳放置。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要最大限度地減少電源，接地層以及信號(hào)輸入和ESD器件之間的PCB走線(xiàn)長(zhǎng)度，以減少電源軌上的雜散串聯(lián)電感和受保護(hù)器件的輸入線(xiàn)（圖3） 。

圖3：高效的PCB布局對(duì)于降低瞬態(tài)電壓至關(guān)重要，而較新的TVS器件如安森美半導(dǎo)體CM1293A-02SO則結(jié)合了一對(duì)二極管（D1和D2）帶有集成齊納二極管，可降低電源軌上的寄生串聯(lián)電感L2。 （由安森美半導(dǎo)體提供）

即使PCB走線(xiàn)上的小寄生串聯(lián)電感也會(huì)導(dǎo)致鉗位電壓顯著增加。為了幫助降低寄生電感，安森美半導(dǎo)體CM1293A-02SO在VP和VN（負(fù)電源軌）（圖3左側(cè)）上集成了一個(gè)齊納二極管。該集成齊納二極管通過(guò)將齊納二極管的擊穿電壓鉗位電壓，大大降低了電源軌電感（圖3中的L2）的影響。

對(duì)于可穿戴設(shè)備甚至物理空間非常寶貴的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等設(shè)計(jì)，工程師可以找到緊湊型封裝的TVS設(shè)備。例如，安森美半導(dǎo)體提供0.3 V ESD7381MUT5G TVS，采用0.60 mm x 0.30 mm XFDFN封裝，高度為0.3 mm，CM1205-08CP TVS采用8個(gè)TVS器件集成在一個(gè)1.3 mm x 0.65 mm晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝中（WLCSP）高度僅為0.4 mm。

設(shè)備特性

工程師可以找到各種可用的TVS設(shè)備，但找到最符合設(shè)計(jì)要求的部件取決于仔細(xì)查看特定設(shè)備的特性。典型的TVS器件I-V曲線(xiàn)表現(xiàn)出熟悉的擊穿效應(yīng)，但高于和低于該擊穿電壓（VBR）的電壓電平對(duì)于理解TVS性能非常重要（圖4）。與齊納二極管不同，隨著PN結(jié)溫度的升高，擊穿電壓降低，TVS器件是雪崩器件，隨著PN結(jié)溫度的升高，擊穿電壓也會(huì)增加。因此，工程師可能需要在確定環(huán)境溫度下與標(biāo)準(zhǔn)25°C顯著不同的特定特性時(shí)考慮溫度。

圖4：典型單向TVS器件的IV曲線(xiàn)關(guān)鍵規(guī)格的相對(duì)電壓電平：工作峰值反向電壓（VRWM），擊穿電壓（VBR）和鉗位電壓（VC）。理想的雙向TVS設(shè)備將顯示相同的正向和反向特性。 （由Toshiba提供）

在最低閾值，反向工作電壓VRWM（也稱(chēng)為隔離電壓，Vst-off）時(shí)，器件顯示為關(guān)閉，只有其寄生效應(yīng)和漏電流影響電路。 VRWM通常比反向擊穿電壓VBR（也稱(chēng)為齊納電壓，VZ，用于基于齊納的器件）低10％至15％，其中TVS器件開(kāi)始導(dǎo)通，進(jìn)入其雪崩區(qū)域。最后，鉗位電壓VC通常比VBR高35％到40％，代表器件在指定峰值沖擊電流IP下的最大鉗位電壓。

峰值功耗（PPP）當(dāng)然是一個(gè)非常重要的特征。制造商通過(guò)在監(jiān)控設(shè)備電壓和電流的同時(shí)強(qiáng)制通過(guò)TVS的指定電流波形來(lái)測(cè)量PPP。峰值功率測(cè)量中使用的最常見(jiàn)波形是8/20μs和10/1000μs電流波形。 （在此表示法中，第一個(gè)值以μs為單位描述波形的上升時(shí)間，第二個(gè)值以μs為單位描述波形下降到其峰值一半的時(shí)間。）盡管PPP并未始終明確列在器件數(shù)據(jù)表中，但工程師可以簡(jiǎn)單地通過(guò)將峰值脈沖電流（IPP）乘以鉗位電壓（VC）得出它：

PPP = VC x IPP

動(dòng)態(tài)電阻（RDYN）是確定適用性的另一個(gè)重要特性特別保護(hù)IC。當(dāng)電流在瞬態(tài)浪涌期間流過(guò)保護(hù)裝置時(shí)，RDYN將導(dǎo)致進(jìn)一步的電壓降。

對(duì)于特定應(yīng)用，最合適的TVS裝置是具有等于最大連續(xù)DC或VRWM的裝置。應(yīng)用電路在正常工作時(shí)將經(jīng)歷的峰值 - 交流電壓。同時(shí)，工程師需要確保VC不超過(guò)電路中其他組件安全工作條件可接受的瞬時(shí)電壓水平。最后，RDYN必須足夠低，以確保在峰值電流時(shí)器件自身的動(dòng)態(tài)電阻不會(huì)導(dǎo)致鉗位電壓超過(guò)可接受的限值（圖5）。

圖5：即使兩個(gè)器件A和B指定相同的擊穿電壓和峰值電流，如果器件B具有比器件A更高的動(dòng)態(tài)電阻（RDYN），器件B可能是一種效率較低的保護(hù)裝置，因?yàn)樗_(dá)到了更高的鉗位電壓（紅線(xiàn)）。 （安森美半導(dǎo)體提供）

最后，工程師可以利用具有不同工作電壓的器件組合，為太陽(yáng)能收集等高壓應(yīng)用提供額外保護(hù)。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以使用具有不同VRWM規(guī)格的多個(gè)TVS器件，以降低單個(gè)TVS器件在高壓瞬態(tài)事件中可能必須消耗的總能量（圖6）。在這里，諸如Vishay SMBJ24D（24 V VRWM）之類(lèi)的設(shè)備將提供主要保護(hù)。以下串聯(lián)電阻可降低電流，如Vishay SMBJ5.0CD（5 V VRWM）。為了進(jìn)一步減少對(duì)受保護(hù)IC內(nèi)部保護(hù)電路的影響，工程師可以在第二個(gè)TVS器件和IC之間放置另一個(gè)串聯(lián)電阻。

圖6 ：工程師可以通過(guò)使用額外的TVS設(shè)備來(lái)減輕非常大的瞬態(tài)電壓浪涌的影響，其中主設(shè)備向次級(jí)設(shè)備提供減少的浪涌以進(jìn)一步抑制。插入的串聯(lián)電阻減小了到達(dá)次級(jí)設(shè)備的電流，并最終降低了負(fù)載。 （由Vishay提供）

結(jié)論

隨著行業(yè)越來(lái)越傾向于低壓設(shè)計(jì)，沒(méi)有瞬態(tài)電壓浪涌保護(hù)的電路面臨性能下降甚至永久性損壞的威脅。 TVS器件具有廣泛的性能特征，可為保護(hù)這些敏感設(shè)計(jì)提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。通過(guò)在設(shè)計(jì)階段早期安裝TVS器件，工程師可以提供更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)，能夠承受瞬態(tài)電壓浪涌的影響。