1. 为什么电路中要添加TVS

根据字面意思，TVS（Transient Voltage Suppressor）用于抑制电路中短暂出现的高电压，以防止这些高电压对电路造成损害或导致电路异常工作。那么在正常工作的电路中为什么会突然出现瞬时高电压呢？主要原因如下：

• 静电放电（ESD）：人们接触设备时，身上的静电突然释放到电路中，这是最常见的情况。除了人体，各种没有接地的物体也可能积累静电。当我们设计好电路板时，怎样才能确定它能够在关键时刻承受得住静电的冲击呢？毕竟我们不能用手摸来测试电路的稳定性。因此，有了抗静电的实验标准IEC 61000-4-2，其中人体模型（HBM，Human Body Model）用于模拟人体放电，机器模型（MM，Machine Model）用于模拟金属等物体放电，分为不同等级的严格程度。

我们知道：

• 对于电容，i=c*du/dt，电压的突变会导致较大的感生电流。

• 对于电感，u=L*di/dt，电流的突变会导致较大的感生电压。

• 大容性负载和感性负载：诸如电机、继电器动作等，在电路中会产生数百伏的高压。如果电路的源端是感性负载，例如汽车充电装置给电池充电，当突然拔掉电池时（电流瞬间变为0），也会在电路中感应出高压。高频率的电流跳变会产生电磁场，在附近的电路中也会感应出尖峰电流。

• 闪电：毫无疑问，如果电路板被直接雷击，那将造成严重损害。但如果电路板具有金属外壳，并用粗导电金属带接地，那就应该没问题。然而，电路板通常通过外部连接220V电源，或通过通讯电缆连接到外界。在这种情况下，即使没有被直接雷击，由于强烈的电磁场感应，产生的电压也足以造成巨大危害。

因此，在电路设计中加入TVS元件能够有效地保护电路，在面对瞬时高压时提供稳定和可靠的保护。

2. 如何选择防护器件

对于雷击这种事件，需要在线路中依次放置放电管，压变电阻，TVS，才能较好的防护。放电管和压变电阻动作慢一些，但可以承受大电压，大电流，作为第一级防护。TVS反应超快，可以作为第二级防护。当然对于一般的应用来说，最主要的还是对ESD和感生瞬变电压的防护。

我们设计一个产品，首先要明确，需要通过哪些标准，以及过什么等级。下面是最常采用的几个标准：

IEC 61000-4-2 静电放电抗扰度；

IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群抗扰度；

IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度；

对于ESD静电放电(IEC 61000-4-2)来说，它的电压上升时间非常短(1ns左右)，所以要求保护器件动作要非常迅速，而一个有利因素是，测试时放电间隔，一般会大于1S，所以不会有太多的能量冲击，这和实际情况比较相符。而对于快速脉冲群(IEC 61000-4-4)来说，它的电压上升时间比静电稍慢一些(5ns左右)，但是重复频率特别高，大家在上面表里可以看到， 1秒钟之内，最少也有5千个高压脉冲，所以它对保护器件能经受的功率要求要大一些。

对于IEC61000-4-5，浪涌测试来说，它的能量要大得多。倒不是因为它的电压有多高，而是因为它的脉冲宽度(数百微秒)，是静电放电脉冲宽度(数十纳秒)的上千倍。我们选择保护器件，就要根据需要过的测试标准，有针对性地进行选择。

3. 认识TVS

我们知道对于二极管，一般来说，PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止。说了一般，那肯定还有二般情况，就是反向电压超过一个限制后，二极管就不再是截止状态了，而是会发生雪崩击穿，或齐纳击穿，也可能两者都有。此时，反向电阻很小，导通电流很大，电压被钳制在一个比较固定的水平。TVS就是利用这一特性，来对后级电路进行保护。

TVS分为单向保护管(用于直流电路保护)，和双向保护管(用于交流电路保护)。那么我们以Wayon一款双向TVS为例，来了解一下它的关键参数。

图片来源于Wayon TVS手册

TVS主要参数

Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作电压，或者说截止电压。就是说，加这个电压时，管子仍然是截止的，或者说漏过去的电流非常小，通常1nA 左右。那么超过这个最高工作电压，会怎么样呢？这里要注意，电压超过Vrwm后，TVS并不会马上动作，也不像有的文章说的会劣化，损坏，而是漏电流增加的速度快一些。

VBR (Breakdown Voltage) 击穿电压。当电压超过此电压，漏电流开始急剧增加。这里所谓击穿，不能理解为器件损坏，而是正常动作。

Vc (Clamping Voltage) 钳位电压。这也是一个重要指标，就是当一个电压很高的脉冲来了，TVS器件从截止状态，变为导通状态，电压被钳制在一个比较低的水平，电流从TVS通过，回流到地，从而保护了后级电路。

Ipp (Peak Pulse Current) 峰值脉冲电流。器件所能承受的最大脉冲电流。注意是脉冲，脉冲，脉冲，重要的事情说三遍。如果连续通过这么大的电流，马上死翘翘。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我们评估器件时，如果脉冲宽度比较窄，那么最大电流可以超过Ipp，相反，如果脉冲宽度比较宽，电流小于Ipp 也会造成器件损坏。

Cj(Junction Capacitor) 结电容。低速电路不用管，如果是高速电路，这个电容会导致信号变形。此电容越小越好。

我们结合一个器件手册看一下：

超过峰值功率/电流，会引起器件损坏。

资料来源于Wayon TVS产品手册

这里有争议的可能是Vrwm，也就是截止电压。如果工作电压是5V，那么选TVS器件的时候可以选Vrwm=5V的器件吗？我们的意见是可以选。理由是我们可以从特性曲线看到，即使工作电压有波动超过了5V，那漏电流仍然在可以接受的范围内。比如当电压波动到5.6V，此时漏电流只有1mA。而且我们在一些官方手册中，也可以找到例子。比如对于USB端口，电压5V，就用到了Vrwm=5V的器件。对此，你有什么意见呢？

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