在電子工程領(lǐng)域，ESD（靜電放電）和浪涌問(wèn)題堪稱(chēng)基帶工程師的"頭號(hào)噩夢(mèng)"。這些問(wèn)題測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛，現(xiàn)象難以捕捉，特別是ESD故障，往往沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)解決路徑，只能依靠工程師反復(fù)構(gòu)思方案并驗(yàn)證。

要想最大限度地避免這些問(wèn)題，選擇合適的防護(hù)器件并在設(shè)計(jì)階段做好充分防護(hù)措施至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹ESD和浪涌的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法，以及如何選擇關(guān)鍵的TVS防護(hù)器件。

什么是TVS管

TVS管（瞬態(tài)電壓抑制二極管）是一種高效的電路保護(hù)器件，能在極短時(shí)間內(nèi)（皮秒至納秒級(jí)別）響應(yīng)過(guò)電壓沖擊，將高壓干擾導(dǎo)向地線，從而保護(hù)精密電子元件。

根據(jù)防護(hù)能力的不同，TVS管主要分為兩類(lèi)：

• 小功率TVS管：主要用于防護(hù)ESD（靜電放電），通常稱(chēng)為ESD保護(hù)管
• 大功率TVS管：主要用于防護(hù)浪涌（電流沖擊），通常稱(chēng)為浪涌保護(hù)管

它們就像是電路的"安全閥"，在正常電壓下保持高阻態(tài)幾乎不耗電，而在異常高壓出現(xiàn)時(shí)瞬間變?yōu)榈妥钁B(tài)，將危險(xiǎn)電壓泄放到地。

TVS管測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)詳解

TVS器件規(guī)格書(shū)上常見(jiàn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有：

IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——靜電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，必須通過(guò)IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分廠家提供數(shù)據(jù)IEC61000-4-5（8/20us）——浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，必須通過(guò)

1.IEC61000-4-2 ESD防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

這是靜電放電抗干擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB/T 17626.2-2018。理解這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，首先需要了解放電槍的工作原理。

測(cè)試原理：

使用專(zhuān)門(mén)的靜電槍?zhuān)ㄟ^(guò)330歐姆的電阻和150pF的電容模擬人體放電模型。

關(guān)鍵參數(shù)：

以4kV接觸放電為例，靜電槍釋放的波形要求為：上升時(shí)間0.8ns內(nèi)達(dá)到15A峰值電流，30ns時(shí)電流降至8A，60ns時(shí)降至4A。

規(guī)律：

靜電電壓越高，電流要求也成正比增加，但上升時(shí)間要求相同。雖然靜電電壓高、電流大，但持續(xù)時(shí)間極短，因此總能量其實(shí)很低。

ESD測(cè)試對(duì)環(huán)境有明確要求：

環(huán)境溫度15℃-35℃，相對(duì)濕度30%-60%，大氣壓86kPa-106Kpa。在測(cè)試點(diǎn)的選擇上，只有金屬部位才適合做接觸放電，絕緣部位則無(wú)此必要。

2.IEC61000-4-4防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

這是電快速瞬變脈沖群抗干擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB-T17626.4。該脈沖發(fā)生器的輸出阻抗為50Ω，對(duì)單個(gè)脈沖和群脈沖都有明確規(guī)范。

規(guī)格書(shū)中常見(jiàn)的"5/50ns，40A"通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，意味著波形需符合規(guī)定的時(shí)間要求，而電壓幅度最高值是通過(guò)40A電流時(shí)的電壓值。值得注意的是，目前許多廠家已不再進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試。金鑒實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作，確保每一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都精準(zhǔn)無(wú)誤地符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3. IEC61000-4-5瞬態(tài)電壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

這是浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB T17626.5-2008。標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了10/70us組合波發(fā)生器和1.2/50us組合波發(fā)生器的技術(shù)要求。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，主要使用1.2/50us組合波。

這里的"1.2/50us"是對(duì)浪涌測(cè)試儀電壓放電的要求，而"8/20us"則是對(duì)電流放電的要求。浪涌測(cè)試儀在開(kāi)路情況下應(yīng)輸出波前電壓1.2us、電壓半峰值時(shí)間50us的波形；在短路情況下應(yīng)輸出波前電流8us、電流半峰值時(shí)間20us的波形。開(kāi)路輸出電壓與短路輸出電流的比值即為浪涌測(cè)試儀內(nèi)阻，標(biāo)準(zhǔn)要求為2Ω。

消費(fèi)電子領(lǐng)域常用的浪涌設(shè)備耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)，通常將浪涌注入設(shè)備供電線中，而去耦合網(wǎng)絡(luò)則用于保護(hù)供電設(shè)備。手機(jī)項(xiàng)目中多選用二極管耦合/去耦合方式，普銳馬TVS8/20TC是常用的測(cè)試儀器。

TLP測(cè)試的重要性

傳輸線脈沖測(cè)試（Transmission Line Pulse）使用100ns脈寬的方波，測(cè)量不同電壓幅度下的電流值，直至管子損壞。100ns的脈寬遠(yuǎn)大于IEC61000-4-2規(guī)定的靜電波形1ns，這使得TLP測(cè)試能更全面地考驗(yàn)ESD管性能，更真實(shí)地反映ESD管的鉗位能力。

當(dāng)兩個(gè)ESD管都能通過(guò)接觸±8kV靜電測(cè)試時(shí)，如何選擇？此時(shí)應(yīng)比較ESD管的鉗位電壓，選擇較低者。如果仍難以抉擇，可通過(guò)TLP測(cè)量I-V曲線，對(duì)比相同電流下的鉗位電壓，較低者性能更優(yōu)。

實(shí)測(cè)波形分析

實(shí)際測(cè)試中，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的ESD管能夠?qū)?kV的接觸放電電壓鉗位至30V左右，表現(xiàn)令人印象深刻。這種高效的電壓鉗位能力，正是保護(hù)敏感電子元件的關(guān)鍵。

浪涌管的實(shí)測(cè)波形同樣能直觀展示其防護(hù)性能。通過(guò)分析波形，工程師可以準(zhǔn)確評(píng)估器件在實(shí)際工作中的表現(xiàn)，為選型提供可靠依據(jù)。

TVS管關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)解析

Ipp：

最大反向峰值電流，按照IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)、8/20us電流波形、電容/電感去耦合網(wǎng)絡(luò)測(cè)試得出。此值越大，TVS管性能越優(yōu)秀。

Vc@Ipp：

鉗位電壓，達(dá)到最大電流Ipp時(shí)的鉗位電壓值。此值越小越好，意味著防護(hù)效果更佳。

Vrwm：

最大反向工作電壓，被保護(hù)信號(hào)正常工作電壓不應(yīng)超過(guò)此值。實(shí)際上是TVS管反向漏電流為1uA時(shí)的電壓值，超過(guò)此電壓，反向電流會(huì)迅速增加。TVS型號(hào)上的數(shù)字通常代表此電壓。

Vbr：

反向擊穿電壓，二極管反向電流達(dá)到1mA時(shí)的電壓值。超過(guò)此值，反向電流急劇增加。

Cj：

結(jié)電容，通常為pF級(jí)別。用于高速信號(hào)線（如USB2.0的D+和D-）時(shí)，結(jié)電容應(yīng)小于1pF。

Pppm：

按IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的最大Ipp乘以此時(shí)的鉗位電壓Vc。浪涌管選型時(shí)，不能僅看此值，還需關(guān)注鉗位電壓具體數(shù)值。

ESD管與浪涌管選型指南

1.確定最低工作電壓要求

Vrwm不得小于被保護(hù)信號(hào)的工作電壓。從減少漏電角度考慮，Vrwm比信號(hào)工作電壓越大，漏電流越小。看似微小的1uA漏電流，對(duì)于待機(jī)電流僅nA級(jí)別的器件而言已相當(dāng)可觀。

2.確認(rèn)防護(hù)等級(jí)

從保護(hù)強(qiáng)度角度考慮，Vrwm越接近信號(hào)工作電壓，管子的鉗位電壓Vc越低，對(duì)信號(hào)的保護(hù)效果越好。

3.比較鉗位性能

ESD管和浪涌管的靜電防護(hù)等級(jí)必須高于產(chǎn)品本身要求的防護(hù)等級(jí)。其靜電鉗位電壓和浪涌鉗位電壓越低越好。

4.計(jì)算功率要求

浪涌管的鉗位電壓必須小于被保護(hù)電路的最大額定值。關(guān)于浪涌管的功率要求：假設(shè)需要通過(guò)300V浪涌，要求鉗位電壓在20V以內(nèi)，考慮到浪涌測(cè)試儀內(nèi)阻為2ohm，最大輸出電流為(300V-20V)/2ohm=140A，則應(yīng)選擇功率在140A*20V=2800W以上的管子。若鉗位電壓低于20V，對(duì)功率的要求可相應(yīng)降低。

管子的保護(hù)性能主要與鉗位電壓相關(guān)，而非Ipp等參數(shù)。簡(jiǎn)而言之，選型順序應(yīng)為：先確定Vrwm，再看Vc，最后考慮功率要求，這一流程并不復(fù)雜。

結(jié)語(yǔ)

TVS管的正確選擇和應(yīng)用的確能顯著提高電子產(chǎn)品的可靠性和抗干擾能力。通過(guò)理解測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)參數(shù)和選型要點(diǎn)，工程師可以在設(shè)計(jì)階段就做好充分防護(hù)，避免后期解決問(wèn)題的痛苦過(guò)程。記住，良好的電路防護(hù)設(shè)計(jì)不是增加成本，而是為產(chǎn)品的可靠性和品牌聲譽(yù)投保。