使用暫態電壓抑制二極體來保護電路並保持電氣完整性

為了保護電路、系統和系統使用者，電氣快速暫態 (EFT) 電壓是設計人員必須考慮的現實狀況。電氣快速暫態有很多來源，包括常見的靜電放電 (ESD)；可由一些簡單的動作 (如走過地毯、啟動馬達或雷擊) 而引起漣波效應。這些暫態干擾會對各類產品造成負面影響，包括低電壓電池供電的可穿戴式裝置及高功率馬達系統。

電氣快速暫態的影響範圍很廣，從暫時中斷和無法正常運作，到長期效能下降和徹底的永久性損壞和故障。儘管設計人員可以採取相關措施減少暫態電壓，如使用防靜電外殼、濾波功能、在電源處進行箝位，或實施額外接地，但這些措施往往需要根據具體的應用場景進行修正或升級。

為了可靠地最小化或消除暫態電壓的有害影響，設計人員可以使用稱為暫態電壓抑制 (TVS) 二極體的雙端被動元件。雖然這類二極體通常被視為開路，但當暫態事件發生時，它們幾乎會瞬間做出反應，類似於短路，進而將暫態過電壓轉至接地端。TVS 二極體具有響應快速、耐壓能力強、壽命長和電容量小等優點。

本文將以 Eaton Corporation plc (Eaton) 的各種元件系列和元件為例，檢視 TVS 二極體的需求、作用、類型和應用。

認識 IEC 標準

為了降低電氣快速暫態的風險，國際電工委員會 (IEC) 在 IEC 61000-4 (「電磁相容性 (EMC) 測試和量測技術」) 中定義了三個國際公認的過電壓保護標準：

1) IEC 61000-4-2 涵蓋了系統層級的 ESD 耐受性，適用於人體接觸引起的 ESD (圖 1)。對於此種波形，上升時間 (tr) 很短，為 0.7 至 1 ns，大部分能量在前 30 ns 內消散，之後會迅速衰退。因此，需要非常快速的過電壓保護，以及時應對 ESD 事件。

圖 1：根據 IEC 61000-4-2 標準，由人體接觸引起的典型 ESD 脈衝波形的上升時間非常短，小於 1 ns，且大部分能量在前 30 ns 內消散。(圖片來源：Eaton)

僅憑波形本身並不能說明相關的電壓位準。IEC 61000-4-2 規定了測試各種接觸和空氣放電設備的系統層級 ESD 耐受性的電壓 (圖 2)。

圖 2：IEC 61000-4-2 空氣和接觸放電等級進一步定義了人體接觸的具體要求。(圖片來源：Eaton)

選擇哪種 TVS 二極體，取決於應用所需的 ESD 保護等級。請注意，Eaton 的所有 TVS 二極體在依照 IEC 61000-4-2 進行測試時都具有 4 級最低效能。此外，還有其他產品能夠提供更高的 ESD 耐受保護，空氣和接觸放電均可高達 30 kV。

2) IEC 61000-4-5 涵蓋了電氣突波耐受性，例如雷擊或切換電源系統所引起的突波。與功率相對較低的靜電不同，雷擊可包含高達 1 GJ 的能量，並產生高達 120 kV 的突波電壓。雷擊所引發的暫態電壓可能是由戶外電路遭受直接雷擊而產生突波電壓、間接雷擊在導體中產生突波電壓，或雷擊產生接地電流所致。請注意，TVS ESD 抑制器並非為了防止直接雷擊所設計，但這類抑制器仍然不可或缺，原因就在於這些雷擊可能會將暫態電壓傳送到整個配電系統，距離可達 1 英里或更遠。

IEC 61000-4-5 定義了典型的雷擊電壓波形 (圖 3)。

圖 3：這是 IEC 61000-4-5 定義的雷擊脈衝波形 (I_PP 為峰值電流)。(圖片來源：Eaton)

IEC 61000-4-5 標準還規定了測試各類電氣／電子設備突波耐受性的電壓等級 (圖 4)。

這些等級是由終端應用所定義：

• 1 類：受到部分保護的環境
• 2 類：纜線隔離良好的電氣環境 (含短距離傳輸)
• 3 類：電源纜線和訊號纜線並行佈線的電氣環境
• 4 類：其互連纜線和電源纜線均為戶外纜線且這些纜線用於電子電路和電氣電路的電氣環境

圖 4：IEC 61000-4-5 定義四種突波耐受性類別的測試等級。(圖片來源：Eaton)

3) IEC 61000-4-4 涵蓋對電氣快速暫態的防護 (圖 5)。電氣快速暫態是由使用電感式負載 (如配電系統中的重型馬達、繼電器、切換接觸器等)，以及切入或切出功率因數校正設備所引起。

圖 5：圖示為 IEC 61000-4-4 所描述的電氣快速暫態脈衝波形。(圖片來源：Eaton)

請注意，電氣快速暫態通常只由兩個成對的數字所表示，即上升到峰值的時間 (t₁) 及暫態電壓從峰值下降到峰值 50% 時的脈衝時長 (t₂)。8/20 µs 暫態是工業應用中常見的脈衝。

電路或系統必須能承受的暫態電壓 ESD 大小取決於具體的應用。MIL-STD-883 定義了三個類別，廣泛應用於工業、軍事、航太系統 (圖 6 )。

圖 6：依據 MIL-STD-883 第 3015 號方法，ESD 靈敏度可分為三類。(圖片來源：Eaton)

使用 TVS 元件解決問題

設計人員可以使用 TVS 二極體來滿足各種要求和保護系統。TVS 二極體是矽過電壓保護元件，其工作原理基於二極體突崩式崩潰。此元件需與正常電路並聯安裝，可保護內部組件免受短期 (暫態) 和中高電壓的影響 (圖 7)。

圖 7：TVS 二極體橫跨輸入端，放置於受保護線路和系統接地之間。(圖片來源：Eaton)

在正常的非暫態工作狀態下，TVS 二極體會維持高阻抗，不會對設備的電力或訊號傳輸產生干擾。但是，當 TVS 二極體在其端子之間遭受瞬時的高能量衝擊時，此二極體會快速進入低阻抗狀態 (稱為突崩式崩潰)，吸收大電流並將電壓箝至安全水平，從而保護下游電路元件。

TVS 二極體分為單向型或雙向型 P-N 接面元件。雖然名稱如此，但大多數單向型 TVS 二極體都能抑制兩個極性的電壓。不同之處在於，單向型 TVS 二極體具有非對稱的電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向型 TVS 二極體具有對稱的 V-I 特性 (圖 8)。雙向型 TVS 二極體非常適合保護其訊號為雙向、或高於及低於接地電壓的電氣節點。

圖 8：TVS 二極體名稱並不反映任何內在的方向性。而是單向型 TVS 二極體具有非對稱的電壓-電流 (V-I) 特性，而雙向型 TVS 二極體具有對稱的 V-I 特性。(圖片來源：Eaton)

關鍵參數、封裝和放置方式決定了 TVS 的效能

TVS 二極體有許多高階規格。其中包括：

• 標稱逆向工作最大電壓 (V_RWM)：也稱為逆向隔絕電壓，是 TVS 二極體在「關斷」時的最大工作電壓
• 崩潰電壓 (V_BR)：TVS 二極體發生突崩式崩潰時導致低阻抗的電壓
• 逆向漏電流 (I_R)：TVS 二極體反向偏壓時流過的電流
• 箝位電壓 (Vc)：TVS 二極體在額定峰值脈衝電流 (I_pp) 下的電壓
• 電容量：輸入引腳與另一個參考點 (通常是接地點) 之間儲存電荷的測量值，通常以 pF 為單位且以 1 MHz 訊號進行測量
• 峰值電流 (I_pp)：電流波形最大正振幅和最大負振幅之差

選擇 TVS 二極體通常需要四個步驟：

1. 選擇隔絕電壓高於正常工作電壓的二極體
2. 驗證指定的峰值電流是否超過預期的峰值電流，並確保指定的二極體可以在暫態事件期間處理所需的功率
3. 計算所選二極體的最大箝位電壓 (V_CL)
4. 確認計算出的 V_CL 小於受保護引腳的指定最大絕對額定值

TVS 元件在電路板上的放置方式對於充分實現這些元件的效能非常重要。為了獲得最佳的突波保護，二極體應儘可能靠近電壓入口點 (如 I/O 連接埠)，以儘量減少寄生效應對有效抑制快速暫態突波的影響。

TVS 產品系列範例

Eaton 的 TVS 二極體非常適合為 I/O 介面以及高速數位和類比訊號線路提供過電壓保護。這種二極體提供極低箝位電壓、高峰值功率、高電流耗散以及以奈秒計的回應時間。

TVS 二極體封裝與規格密切相關。提供表面黏著式封裝和通孔式封裝，而後者可提供更高的電壓／電流效能。

TVS 二極體必須能針對各種電壓和電流提供保護。因此，一個額定電壓值再加其他參數並不能滿足所有電氣快速暫態狀況。下面以四個不同系列為例說明這些要點。

1) SMFE 系列具有 200 W 的峰值脈衝功率能力以及 10/1000 µs 的波形。這些元件採用行業標準的薄型 SOD-123FL 表面黏著封裝，尺寸為 2×3×1.35 mm，能夠最佳化行動裝置和穿戴式裝置的電路板空間。

SMFE5-0A DK 是此系列的其中一員 (圖 9)。這款元件的箝位電壓為 9.2 V，I_pp 為 21.7 A，並可支援單向或雙向使用。電壓高於 10 V 時，逆向漏電流低於 1 μA，回應時間快，從 0 V 到 V_BR 的回應時間通常小於 1.0 ps。

圖 9：SMFE5-0A 9.2 V TVS 二極體採用薄型 SOD-123FL 表面黏著封裝，適用於行動裝置和穿戴式裝置應用。(圖片來源：Eaton)

2) ST 系列可保護一條雙向 I/O 線路，適用於 USB 及其他資料連接埠、觸控板、按鈕、直流電源、RJ-45 連接器及無線射頻天線。此系列的產品 (如 33 V、12 A I_pp 的 STS321120B301) 採用小巧的 SOD-323 SMT 封裝，尺寸為 1.8 × 1.4 × 1.0 mm，每條線路的額定峰值脈衝功率為 400 W (t_P = 8/20 μs)。此系列二極體支援 2.8 V DC (V_DC) 至 70 V_DC 的工作電壓，具有低至 0.15 pF 的超低電容量。這些二極體可提供高達 30 kV 的 ESD 保護 (符合 IEC 61000-4-2)。

3) AK 系列由大功率 TVS 二極體組成，具有高達 10,000 A 的保護能力，專為滿足 AC 和 DC 應用中嚴苛的突波測試環境所設計。這些二極體具有較低的斜率電阻，同時由於採用快返技術，箝位因數極高。此系列符合 UL1449 突波保護元件標準，適用於消費電子、家電、工業自動化或交流線路保護等應用。(註：斜率或動態電阻是二極體在施加交流電壓時提供的電阻；快返是一種元件過程，即使在較低電壓下，大電流也會繼續傳導。)

為了滿足電流和 UL 要求，此系列元件採用了 AK6E-066C 所用的通孔式軸向引線封裝，這是一款箝位電壓為 120 V、I_pp 為 6000 A 的二極體 (圖 10)。此二極體的引線長 25 mm，「中心」體近似正方形，尺寸約為 13×15 mm。

圖 10：AK6E-066C 大功率 120 V TVS 二極體可提供高達 10,000 A 的保護，並採用通孔式軸向引線封裝。(圖片來源：Eaton)

4) SMAJExxH 系列這些 SMA 尺寸的 TVS 二極體的獨特之處在於，其符合汽車應用所要求的 AEC-Q101 標準。這些二極體可提供 400 W 的峰值脈衝功率 (波形為 10/1000 μs) ，不僅回應時間快，從 0 V 至 V_BR 時的回應時間通常少於 1.0 ps，而且 I_R 在電壓超過 10 V 時低於 1 μA。

此系列元件的電壓範圍為 5 至 440 V，每個元件都有單向與雙向版本，其中包括 SMAJE22AH，其具有 35.5 V 箝位電壓和 11.3 A I_pp (圖 11)。此系列的所有元件均採用表面黏著式塑膠封裝，最大尺寸為 3.0×4.65×2.44 mm，符合 UL 94 V-0 耐燃等級 (圖 11)。

圖 11：SMAJE22AH 35.5 V TVS 二極體符合 AEC-Q101 所要求的汽車標準；同時還採用符合 UL 94 V-0 耐燃等級標準的塑膠封裝。(圖片來源：Eaton)

結論

由靜電、啟動馬達或附近雷擊產生的電氣暫態會損壞電子系統及其元件。TVS 二極體幾乎能在瞬間回應這些過電壓，並將暫態電壓和能量轉移到地面，進而保護系統。如上所述，Eaton 提供各系列的 TVS 二極體。而每個系列都包含許多額定電壓不同的元件，可在匹配預期的暫態電壓量級、最終產品限制和法規要求的同時，只需要幾平方公釐的電路板面積。