TVS的分析和选择

目录

1，什么是TVS

2，TVS的作用

3，TVS的理解

4，TVS的选择分析

5，总结

1，什么是TVS

TVS 是transient-voltage-suppression diode 的缩写。 直接翻译是瞬态电压抑制二极管。Transient的意思是lasting only for a short time。

2，TVS的作用

根据TVS可以知道名字， TVS它主要用于抑制过高的瞬态电压。这些瞬态电压的来源可能是附件、雷电或直接来自电源的设备。这些瞬态电压会击穿燃烧电路板上的部件，因此需要添加电路来保护部件不受损坏。 TVS是常见的保护手段之一。

需要说明的是TVS抑制瞬态电压的信号是交流信号，不能用于电路的直流过压保护，否则TVS易损坏。

3，TVS的理解

对TVS了解可以参考网上资料， 但核心是它的特征曲线， 下图摘抄自Littlefuse的SMAJ系列TVS手册。它列出了单极性TVS和双极性TVS两种，但是实际上它们的特性曲线是一样的（重点看两张图的左边)。

列出主要符号(参数)的含义:

Pppm：TVS最大功耗，即通过TVS能量功率不能超过这个值，否则，TVS会被损坏。 这是需要注意的是瞬时功耗，它的值与测试的波形有关。Littlefuse在手册中，测试波形为10/10000us。如果使用8/20us测试波形， 这个数值会变得更大，因为TVS能承受的能量是一定的，测试波形越窄， 功耗极值越大。

Vr：反向峰值电压（stand off voltage）， 当外部电压低于此值时，通过TVS漏电流很小，只有几个nA，可以认为TVS不导通，即TVS不工作；当外部电压大于此值时，TVS当导通开始时，部分电流将通过TVS被旁路掉。Vr也在一些手册中标注Vrwm。

Ir： 在Vr时，流经TVS电流，即上述非常小的漏电流，通常是几个nA。

Vbr：击穿电压。当外部电压超过此值时， TVS被认为被击穿，TVS 被认定开始全力工作。 Vbr一般通过TVS的电流为1mA时TVS两端的电压。

Vc：钳位电压。我们选择这个电压。TVS需要关注的参数。必须小于受保护电路的最大工作电压。在讨论钳位电压时，必须注明相应的电流值。

Vf: 正压，0左右.7V。

Rd：TVS内部阻抗。

对于Rd，需要特别说明，因为后续计算可能需要使用。

仔细放大TVS特性曲线，从Vbr对应的点到Vclamp对应点之间的对应部分近似为直线， 直线的斜率为Rd的倒数。任何电流都可以通过直线函数计算(1)mA到Ipp）相应的钳位电压。

4，TVS的选择分析

图3，TVS在电路中的作用

当选择TVS除了注意TVS除了自身的特点， 事实上，我们还需要注意设备需要通过的测试标准和具体的保护电路，对应上图TVS左右部分。

IEC EN 61000-4-5 四级定义（class），具体要求等级class它是由行业定义的。例如，我设计的产品用于矿业。其行业要求为3级，即最高2级K电压输入。区分电源接口和信号接口。 测试电源接口时没有外部电阻，此时只有信号生成器内部的2欧电阻，因此其最大电流为1万A，如下表格。如果对信号接口进行测试，部电阻为40欧元，此时整个电路中的电阻为40欧元 2=因此，信号接口的最大电流为42欧元K/42=47.6A

Electrical Surge Test Levels (IEC EN 61000-4-5)
Class	Test Level	Max Peak Current @2Ω
1	0.5K	250A
2	1K	500A
3	2K	1000A
4	4K	2000A

对应着图3的左边部分，本人设计的产品中TVS需要支持：

1， 如果是电源接口， TVS能够工作在2K/1000A的条件下而不损坏。

2，如果是信号接口， TVS能够工作在2K/47.6A的条件下而不损坏.

对应着图3的右边部分， 被保护电路的最大值：

1， 电源常规工作在24V，最大工作电压65V；

2，信号电路常规工作在5V， 最大工作电压12V。

提醒：对于需要保护的电路部分， 尽可能选择比较耐高压和大电流的器件。

明确了TVS的两边电路要求之后，下一步就是搜寻和确定可用的TVS型号。

首先先分析信号接口，因为它的电流要求更低，更容易选择。

因为信号接口工作在5V, 按照20%的阈量计算6V，所以TVS的反向峰值电压，即Vr需要大于6V，才能保证在正常情况下TVS不导通，电路能够正常工作。

因为电路的最大工作电压12V，因此TVS的钳位电压 Vc < 12V.

查看Littlefuse的SMAJ的手册，可以发现

SMAJ6.0CA ，SMAJ6.5CA，SMAJ7.0CA的钳位电压都小于或者等于12V，他们都满足钳位电压的要求。

但是再看峰值电流Ipp的数据，上述3个TVS的数据分别是38.8,35.7和33.3， 都小于设计中需要的47.6A。这个时候，可以使用SMB或者SMC等系列的TVS去满足电流要求，但是SMB或者SMC的封装更大。因为封装比较大，才能支持更大的电流。那么如果PCB尺寸受限，是否仍然可以使用较小封装的SMA昵？

答案是可以的。

 注意Littlefuse的手册中它标称的功耗都是基于10/1000us的，如下所示。

而当设计的产品测试时采用的波形是8/20us，它比10/1000us窄很多，因此同样的TVS能支持更大的峰值电流。那么如何计算这个对应8/20us的电流昵？

第一种方法：查阅其他产家类似TVS文档，查看对应的8/20us电流参数。

例如Bourns的SMAJ-Q 手册就包含2种波形的电流参数：

 

可以看到如Bourns公司的SMAJ6.0A-Q， SMAJ6.5A-Q和SMAJ7.0A-Q 的峰值电流远远大于47.6A。

由上面的表格也可以看出10/1000us和8/20us的电流是5倍的关系， 即8/20us的峰值电流是10/1000us的5倍。

5倍关系也是一个经验值，当找不到其他方式转换2种波形电流时，或者不想按照下面的第二种方法，可以直接按照5倍计算。这个可以这么理解，能量相同的条件下，时间越长的波形，它的峰值就越低。 

再仔细看上图， 会发现SMAJ6.0A-Q， SMAJ6.5A-Q和SMAJ7.0A-Q对应的钳位电压在8/20us时变高了，已经超过12V了。这是不是意味着不能保护12V电路了？

答案是能够保护的。

这里需要强调一下，上述表格中的钳位电压是相对于最大Ipp的，例如SMAJ6.0A-Q的钳位电压13.4V是在TVS通过194A的电流情况下测试得到的。如果实际电路通过的电流没有达到194A，例如只有47.6A时，它的钳位电压是会根据电流变小而变小的。实际的钳位电压由电流乘以内阻Rd得到。

根据图2的特性直线，可以得到钳位电压和电流的关系是：

Vc = 实际电流 x Rd + Vbr  而Rd=（13.4v-7.37v）/194A-10mA =0.031 ohm.

因此当通过TVS的电流是47.6A时， 钳位电压Vc=0.031 x 47.6 + 7.37 = 8.85V  < 12V。

同样SMAJ6.5A-Q和SMAJ7.0A-Q的钳位电压也是小于12V的。

最终可以得出结论SMAJ6.0A-Q， SMAJ6.5A-Q和SMAJ7.0A-Q 都是能够对信号接口进行保护的。

第二种方法： 通过手册， 计算对应的8/20us电流参数。

如果因为供货以及其他原因必须使用Littlefuse的产品，那如何证明Littlefuse的SMAJ6.0CA ，SMAJ6.5CA，SMAJ7.0CA同样适合信号接口呢？

在对应的手册中， 有Pppm和td的关系图， 如上图，在1ms即1000us时，峰值功率400W，如果td是20us即0.02ms，峰值功率大约是2100W。一个TVS能够承受不损坏自身的电压是固定的，因此它的峰值功率和它的峰值电流是成正比关系的，即两种波形下峰值电流的倍数关系是2100/400=5.25.基本上与第一种方法一致。

因此SMAJ6.0CA对应8/20us的峰值电流是38.8 * 5.25 = 203A，此时的最大钳位电压是2100/203=10.34V。

用第一种方法同样的算法可以得到在46.7A测试电流下它的钳位电压是8.05v < 12V。

小结：

1，对于TVS的技术手册，需要注意它提供的Pppm，Vc和Ipp是基于什么测试波形的；

2，如果手册的波形与设计的产品标准要求不一样，需要重新计算Vc和Ipp；

3，手册中的Vc是基于最大Ipp来计算的，具体的设计中需要根据测试电流重新计算具体应用对应的Vc，一般应用的Vc都是小于手册中的Vc数值的。

下面分析电源接口。

电源常规工作在24V，最大工作电压65V，接口要接受2Kv/1000A的考验。

因为电源接口的电流很大，很明显， SMA不能满足要求。 通过搜查手册，同样的，SMB，SMC以及SMD系列TVS也都不满足电流要求。如下表所以SMD系列的TVS在24V时，最大电流才385.5A，远远小于1000A。

Littlefuse 还有 8.0SMDJ系列的TVS能够提供更大的电流，如下表。若选择8.0SMDJ30，它的峰值电流是1074A，钳位电压是62.5V，刚好满足我们的设计要求。为了安全起见，给TVS预留足够的阈值范围，最好选择8.0SMDJ28.

但是8.0SMDJ28限定了电源输入范围必须<28V,  如果没有电源输入范围要求的话，8.0SMDJ28是完全满足设计要求的。但是如果像很多常见的设备，要求电源输入范围9~36V，那么8.0SMDJ28就不适合了。

此时可以选择更大功率器件，例如15KPA36CA，可以满足电源输入要求。

5，总结

本文首先介绍了TVS的特性，继而根据具体的设计需求，分析和选择了对应电源和信号接口的TVS保护器件，顺带解析了TVS数据手册中常见参数的意义。

TVS的分析和选择_dylanZheng的博客-CSDN博客_tvs怎么选

参考

How to Select a TVS Diode for Maxim's IO- | Maxim Integrated

https://www.ti.com/lit/an/slvae37/slvae37.pdf?ts=1644849169818&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F