TVS二极管保护电路原理和PCB布局技巧

第第页TVS二极管保护电路原理和PCB布局技巧对于（工程师）来说，浪涌保护不仅仅是选择合适的（电源）板或者拔下几根电缆，主要涉及在

（PCB）布局中放置瞬态保护组件并应用明确的接地策略。

TVS（二极管）是用于保护PCB布局中组件的常用组件，这些组件放置在数据线上，一旦电路中接收到（ESD）脉冲，就会通过将（电流）从受保护组件转移开来。确保PCB布局可以对瞬态保护进行优化，并且可以防止炸电路板并且保证一个功能良好的设备。

一、什么是瞬态抑制二极管及其（工作原理）?

瞬态电压抑制(TVS)二极管是一种常用于保护设备免受与静电放电(ESD)相关的瞬态事件影响的组件。(不要将TVS管与齐纳二极管或肖特基二极管混淆。)它由一个pn（半导体）结组成，该结在瞬态电压尖峰期间变为导通状态。在正常情况下，TVS二极管具有高阻抗和极低的漏电流，实际上相当于开路。

当瞬态电压抑制器上的电压上升超过其（阈值电压）时，半导体中的雪崩效应会导致pn结开始导电，从而提供一条低阻抗路径，将过大的电流从受保护的设备中导出。TVS二极管的响应时间非常快，通常以皮秒表示，因此这些组件可以非常快速地转移强ESD脉冲，即使该ESD脉冲具有相对较快的上升时间。

二、（PCB设计）选择合适的TVS二极管

所有的TVS二极管本质上都是二极管：如果你施加足够大的正向或反向偏置电压，TVS二极管就会开始导通，当然，并不是所有的TVS二极管都是一样的。

如果选择了错误的保护，可能会导致瞬态保护从一开始就失效。选择瞬态抑制二极管时，你需要了解一些参数：

1、反向偏置击穿电压(VB)

这是TVS二极管开始导通时的反向偏置电压。一旦TVS二极管开始导通，它会将ESD脉冲从受保护的组件转移开。

2、钳位电压(VC)

钳位电压是TVS二极管在超过反向偏置击穿后将显着导通的最小电压。该值定义在指定峰值电流的限制范围内。

通常，较低的VC值将为组件提供更多保护，因此应选择VC，使其小于受保护组件的输入电压限制。

3、额定关断电压(VWM)

这表示反向偏置电压限制，低于该限制TVS二极管将保持绝缘。在额定关断电压内，TVS二极管具有高阻抗，只有少量泄漏电流。

4、峰值脉冲功率耗散(PPP)

TVS二极管需要能够安全地耗散由瞬态电压引起的过大电流，这由峰值脉冲功率耗散表示。

三、TVS二极管如何工作?

所有TVS二极管的工作原理都很简单：当电路接收到ESD脉冲时，该脉冲会很快超过二极管的反向偏置击穿电压值。将其任何导体暴露于外部环境(例如通过连接器)的设备可以在这些导体上接收ESD脉冲。如果这些导体是通向组件的（信号）线的一部分，则接收到的ESD脉冲会将高电压/高电流脉冲传输到组件中，这可能会破坏组件。

当ESD发生在信号线上并且信号线上存在TVS二极管时，二极管将开始导通，脉冲可以通过二极管。这允许二极管将ESD脉冲从受（保护电路）转移开。典型的连接方式是将阳极接地，这样ESD脉冲就会传到地里。只要接地区域存在低阻抗路径，脉冲就会从受保护的组件转移开。

TVS二极管

四、双向TVS二极管还是单向TVS二极管?

TVS二极管有两种类型：双向和单向。这两种类型的TVS二极管具有不同的符号，如下所示：

双向和单向TVS二极管

在购买TVS二极管时，要注意一般来说，统称TVS二极管指单向型TVS二极管，如果你需要双向的TVS二极管吗，则需要说明。

那么应该选择哪种类型的TVS二极管?使用双向TVS二极管的主要原因是在电路承载正极性和负极性信号时提供保护。这就是为什么你有时候会在差分对或者在正负极性之间振荡的（模拟）线路上看到双先锋TVS二极管。

大部分人应该都会更喜欢用双向TVS二极管，以提供全面的故障保护和ESD保护，这是因为接地区域可以接受ESD脉冲，就像要保护的信号线一样。如果接地故障导致接地路径具有高阻抗，那么阻抗最低的路径可能是通过单向TVS二极管和你要保护的组件。但是如果TVS二极管是双向的，即使存在接地故障，也会有机会保护（元器件）。

五、TVS二极管的PCB布局技巧

除了选择合适的TVS二极管外，保护的有效性还取决于PCB布局本身。下面这个示例中2个双向TVS二极管并联连接到下面的示意图中保护的电路。示意图显示了TVS二极管与MAX3485（收发器）的典型连接：

TVS二极管连接的典型示意图

在此示例中，如果在D+和D-线路暴露于外部环境的位置发生ESD，并且产生相对于GND的正电压，则只要ESD电压达到，TVS二极管就会开始导通超过了TVS反向偏置击穿电压。如果发生导致电流开始在GND平面中流动的ESD，只要系统中存在低阻抗接地路径，电流就应该完全从组件转移开。

在接地导体接收ESD的情况下，最好使用双向TVS二极管，因为它仍会提供一些保护，而如果TVS二极管是单向的，收发器可能仍会暴露在某些电压下。双向TVS二极管的首选转移发生，因为施加的脉冲需要上升到某个阈值(TVS二极管上半部分的VB值)以上，然后才能从GND到迹线进行导通。

在PCB布局中，应遵循一些重要准则以使TVS二极管正常工作。这些包括放置、接地以及在屏蔽层上使用任何无源元件，如电阻或（电容）。

1、TVS二极管的放置

由于ESD可能发生在（电子）设备中暴露的导体附近，因此最好将TVS二极管放置在这些导体暴露于外部环境的区域附近。下面显示了一个带有2针连接器的简单布局示例。

将TVS二极管放置在有接收ESD脉冲危险的裸露导体附近

PCB走线具有一些寄生电感，可能导致TVS二极管的钳位电压增加到其指定限值以上。TVS二极管的走线也应相对于收发器的走线较短，以最大限度地降低阻抗并确保消散浪涌中的过多能量。这将最大限度地减少通向TVS二极管的路径中的寄生电感。

2、接地

如果可能，最好将TVS二极管连接到与受保护组件不同的接地网。这并不意味着应该拆分地平面。相反，最安全的连接类型是将TVS二极管连接到机箱接地中的金属元件(如果可用)，通常通过连接到机箱螺钉或安装孔的迹线进行连接。如果此连接不可用，则可以连接到内部平面。但是，在存在强ESD风险的环境中，设备应封装在具有安全金属底盘接地和接地连接的底盘中。

3、消除屏蔽无源

某些组件(如屏蔽连接器)将具有一些额外的金属屏蔽层来保护裸露的导体。连接器上的屏蔽并不意味着（机械）或热保护，它实际上是为了防止噪声接收和防止ESD。如果存在ESD危险，则可以将屏蔽连接器与TVS二极管一起使用。TVS二极管连接到信号线，连接器上的屏蔽层直接接地。

数据线上两个TVS二极管的连接示例

上图中，在机箱和信号接地之间放置了一个直接连接。典型的方法是将此连接放在系统中的一个位置，以确保所有导体上的接地电位均匀，但仍然可以控制常规返回电流，使其不会通过机箱。只要GND是低阻抗、低电感接地层，同样适用这个方法。如果这是系统的电隔离区域，最好将该连接置于更靠近连接器主体的位置，如上图所示。

在某些情况下，你可能会看到有人试图通过缓冲电路或并联RC电路将屏蔽层接地。这两者都破坏了使用屏蔽连接器的全部目的。相