瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管通常是浪涌保護的熱門選擇。盡管它們的成本低廉和應用簡單等特點使其應用廣泛，但其固有的缺點仍給系統(tǒng)設計帶來了挑戰(zhàn)。TVS二極管對溫度變化極為敏感、較高的鉗位電壓以及較大的封裝體積，通常需要對受保護電路進行過度設計，這無疑增加了系統(tǒng)浪涌防護方案的復雜度以及增加系統(tǒng)的設計成本。

湖南靜芯半導體突破浪涌控制（SurgeControl）技術，推出瞬態(tài)浪涌分流抑制器（Transient Diverting Suppressors，簡稱TDS）產品系列，以防止系統(tǒng)中引入的瞬態(tài)浪涌事件。這種采用IC技術提供了一種穩(wěn)健的浪涌解決方案，不再基于傳統(tǒng)TVS二極管中PN結進行擊穿和電流泄放，而是通過內置的浪涌額定場效應晶體管將浪涌電流轉移至地，其相比于TVS管中的PN結具備更低的導通電阻。因此TDS提供精確、平緩且與溫度無關的鉗位電壓，從而最大限度地減少受保護系統(tǒng)的殘壓。

TDS的封裝體積比行業(yè)標準的SMA/SMB封裝小90%，其電容更低，漏電流比傳統(tǒng)的TVS解決方案低50%。

本文簡要概述了浪涌保護標準，解釋了瞬態(tài)浪涌轉移技術，并通過示例說明該技術如何優(yōu)化系統(tǒng)設計。

浪涌保護需求

隨著工業(yè)設備設計越來越先進，對更強大、空間效率更高的電路保護需求有所增加。集成電路技術的發(fā)展將更多的功能集成在更小的半導體元件內，使得構建晶體管的尺寸縮小到納米級別。

盡管這些集成電路為工業(yè)設備提供了比以往更多的效力，但較小的封裝對工業(yè)環(huán)境中常見的瞬態(tài)應力的防護力較低。與消費電子設備不同，大多數工業(yè)系統(tǒng)必須符合國際標準以滿足浪涌抗擾度，例如國際電工委員會IEC 61000-4-5浪涌保護和IEC 61000-4-2靜電放電（ESD）保護。工業(yè)系統(tǒng)的產品需要在惡劣環(huán)境中運行，為了維持較長的使用壽命，可靠的浪涌保護解決方案是工業(yè)設備的必要條件。

多年來，行業(yè)在浪涌保護方面的主要選擇是分立式TVS二極管（圖1）。TVS二極管成本低廉，但其溫度變化范圍大和鉗位效率低下可能導致整體系統(tǒng)成本和體積增加。為了克服這些缺點，同時確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設計師通常使用耐高壓的元件。這些元件成本更高，功耗更大，并占用更多的電路板空間。

圖1 分立式TVS浪涌保護二極管的標準封裝

浪涌抗擾度標準

工程師們設計的系統(tǒng)通過了IEC 61000-4-5，這是系統(tǒng)級沖擊免疫的嚴格標準。本標準定義了浪涌免干擾測試的測試設置和程序。與IEC 61000-4-2標準所涵蓋的ESD事件不同，浪涌事件（通常發(fā)生在電力系統(tǒng)切換瞬態(tài)或閃電放電場景中）具有更長的脈沖持續(xù)時間和更高的能量

IEC 61000-4-5標準根據設備安裝的位置，規(guī)定了不同的級別或分類，如表1所示。例如，第1類用于部分受保護的環(huán)境，而第3類用于電纜并行運行的環(huán)境。浪涌電壓水平以及來自浪涌沖擊的等效阻抗（要求）決定了保護器件需要泄放的浪涌電流峰值。

表1 取決于電壓等級和Req的最大峰值電流

為了提供一致的測試方法來測量浪涌穩(wěn)定性，lEC 61000-4-5標準定義了組合波形發(fā)生器（CWG）來生成浪涌脈沖。圖2顯示了一個簡化的CWG，它有一個為耦合電容（C_C）充電的電源。在開關S1閉合時，C_C通過由R_S1、R_m、L_r和 R_S2形成的脈沖成形網絡放電。調整這些元件的值會產生一個波形，該波形符合lEC 61000-4-5標準在短路和開路條件下的波形。

根據表1，一個2Ω等效阻抗是CWG的固有源阻抗，它是低壓電源阻抗的一個很好的模型。一個12Ω等效阻抗（2Ω來自CWG源，10Ω來自耦合網絡）模擬電源和地面網絡的阻抗，并在電源和地面之間發(fā)生浪涌時使用。一個42Ω等效阻抗（來自CWG源的2Ω和來自耦合網絡的40Ω）模擬了所有其他線路和地面之間的阻抗。數據或信號線使用此阻抗電平。

圖2 CWG的簡化電路圖

圖3 在CWG的輸出處的短路電流的波形

? ? ? ?IEC 61000-4-5標準定義了浪涌脈沖，這些脈沖基于CWG放電到短路時的波形。短路波形具有8μs的前沿時間（類似于上升時間）和20μs的脈沖半值時間，如圖3所示。

基于傳統(tǒng)TVS二極管的浪涌防護方案

傳統(tǒng)TVS二極管作為浪涌鉗位器件具有廣泛應用。如圖4所示的正象限I-V特性曲線中，反向工作電壓（V_RWM，亦稱隔離電壓）表征了TVS對受保護電路無明顯影響的電壓閾值（除寄生電容和漏電流等因素外）。在系統(tǒng)設計中，V_RWM的選取需滿足不低于系統(tǒng)工作電壓上限的要求，否則當工作電壓超過V_RWM時，TVS二極管將進入導通狀態(tài)并產生顯著漏電流。

擊穿電壓（V_BR）定義了TVS二極管開始主動導電以限制瞬態(tài)事件的反向電壓。當更多電流流過二極管時，二極管兩端的電壓將根據其動態(tài)電阻（R_DYN）而上升。在瞬態(tài)事件期間，數安培范圍內的電流被迫流過保護器件。通過R_DYN的瞬態(tài)電流將導致TVS二極管上的電壓降逐漸上升。在額定浪涌電流（I_PP）下，TVS二極管兩端的電壓降被定義為TVS的鉗位電壓（V_CLAMP）。對于傳統(tǒng)的TVS二極管，R_DYN是固定的，而V_CLAMP直接取決于電流水平（圖5）。在指定的瞬態(tài)浪涌電流水平下，V_CLAMP必須足夠低，以保護所有下游組件。

圖4 TVS二極管的關斷、擊穿和鉗位電壓

圖5 傳統(tǒng)TVS的電氣模型

? ? ? 硅的物理特性、二極管的結面積和二極管的結溫限制了TVS二極管的R_DYN。即使在非常大的二極管面積下，8/20μs浪涌R_DYN也可能達到數百毫歐姆。因此，TVS二極管通常具有相對于其V_RWM高的V_CLAMP，設計人員必須采取額外措施來設計一個穩(wěn)定且可靠的系統(tǒng)。

為了防止在浪涌事件中系統(tǒng)發(fā)生故障，一種方法是對下游電路進行對應設計，使用能夠承受高浪涌鉗位電壓的器件。盡管這可以產生一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，但會導致更高的系統(tǒng)成本、更高的功耗以及集成電路占用面積的增加。

第二種方法是選擇具有更低R_DYN的TVS二極管，但這會導致選擇困難，例如更高的輸入/輸出(I/O)電容、更高的I/O泄漏和更大的TVS封裝尺寸?；蛘呤遣捎枚囝wTVS二極管進行并聯(lián)處理，從而降低器件的導通電阻和鉗位電壓。但是這增加了PCB板的面積以及增加防護方案的成本。

湖南靜芯的浪涌控制技術

湖南靜芯突破浪涌控制（SurgeControl）技術，推出TDS產品系列來幫助設計人員消除使用傳統(tǒng)TVS二極管設計時所面臨的挑戰(zhàn)。圖6是TDS的功能框圖，其集成了電壓感應電路、柵極驅動電路和額定浪涌場效應晶體管（FET）。電壓感應電路確定鉗位的觸發(fā)電壓（V_BR）。當受保護端口的輸入電壓低于觸發(fā)電壓時，柵極驅動器和額定浪涌晶體管FET關閉，電路中沒有有功電流流動。一旦輸入電壓（V_IN）高于觸發(fā)電壓，柵極驅動器會被激活從而將內置的FET開啟，以泄放此時VDD/IO引腳的電流，鉗位VDD/IO引腳的電壓持續(xù)上升。柵極驅動電路的設計使得調節(jié)回路能夠保持VDD/IO引腳的V_CLAMP非常接近V_BR。由于內置的FET具有極低的導通電阻，即使更多的瞬態(tài)浪涌電流從受保護引腳流過器件時，V_CLAMP依舊保持平緩。

圖6 TDS功能框圖

? ? ? 更詳細地查看浪涌鉗位的功能，VDD/IO引腳上的小電壓變化（ΔV_IN）通過電壓感應電路和柵極驅動電路導致NG節(jié)點上的電壓變化（ΔV_NG）。

公式1定義了增益（A_G）：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)

? ? ? 公式2定義了IN引腳的增益：

?????????????????????? (2)

? ? ? 其中是功率FET的增益，這是一個很高的值，因為主功率FET的尺寸很大。

由于A_G和g_m的值較高，因此總體增益A_G非常高，VDD/IO引腳上的ΔV_IN在觸發(fā)后會導致較大的電流變化(ΔI_IN)。通過這種方式，反饋機制將浪涌鉗位器件的動態(tài)電阻控制在非常低的值，以此控制TDS的鉗位電壓約等于擊穿電壓。TDS的特性使其能夠提供一種瞬態(tài)浪涌保護解決方案，具有相較于傳統(tǒng)TVS二極管的獨特優(yōu)勢。

TDS與傳統(tǒng)TVS二極管：關鍵參數對比

TDS是傳統(tǒng)分立式TVS二極管的替代品，具有多種優(yōu)勢。

1. 導通電阻R_DYN和鉗位電壓

導通電阻R_DYN定義為器件觸發(fā)后I-V曲線的斜率，其直接決定了器件鉗位電壓的幅值。R_DYN越大，器件在額定浪涌電流范圍內鉗位電壓上升越大。R_DYN越小，器件在額定浪涌電流范圍內鉗位電壓基本保持恒定。圖7和圖8比較了TDS與傳統(tǒng)TVS二極管的R_DYN和鉗位電壓。如前一節(jié)所述，由于TDS中的A_G和g_m的值非常大，公式3顯示的R_DYN可以接近零：

??? ???????????????? ?(3)

? ? ? 接近零的R_DYN在浪涌事件的持續(xù)時間內提供精確、平緩的鉗位電壓。此外，TDS與TVS二極管不同，TDS采用IC技術來實現(xiàn)浪涌防護，不再依賴PN結來實現(xiàn)擊穿和浪涌電流泄放，因此其實現(xiàn)的閉環(huán)調節(jié)可以保證TDS在不同溫度下的額定功率和鉗位電壓的穩(wěn)定性，并且能夠進行工藝補償。

圖7 TDS與傳統(tǒng)TVS二極管的直流IIN-VIN曲線

圖8 TDS與傳統(tǒng)TVS 8/20μs波形圖

2. 溫度特性

由于TDS內置溫度補償，因此TDS的觸發(fā)電壓、鉗位電壓以及漏電流在整個工作溫度范圍內都具有強的穩(wěn)定性。在浪涌事件中，TVS器件通過內部的PN結擊穿并且泄放電流，導致其自身耗散功率高，溫度上升，鉗位電壓上升，泄放能力下降。但是，TDS是通過內置額定場效應晶體管將浪涌電流轉移至地，并且導通電阻低，自身耗散功率低，器件自身溫度上升慢。

根據圖9所示的鉗位電壓與溫度的關系可以看出，傳統(tǒng)的TVS二極管的鉗位電壓隨溫度上升而增加，對溫度變化極為敏感，這嚴重限制了TVS二極管在高溫等復雜環(huán)境下的應用。在筆記本電腦、USB-PD接口等應用領域中，設備長時間工作，溫度上升是必然的。這必定會導致TVS二極管的鉗位和泄放能力產生較大變化，存在安全隱患。TDS的鉗位電壓在-40℃~125℃的工作溫度范圍內保持平緩。該優(yōu)異特性有效保護USB-PD、傳感器等設備在惡劣環(huán)境中長時間工作。

圖9 不同溫度下的鉗位電壓

3. 漏電

由于TDS采用內置額定浪涌場效應晶體管泄放瞬態(tài)浪涌電流，其漏電流為皮安（pA）量級。相比于傳統(tǒng)TVS二極管中PN結的微安（uA）級反向漏電流明顯降低。當漏電流流過輸入保護電阻、采樣電阻或源阻抗時會產生顯著的誤差，尤其是對前端傳感器信號讀出電路的精度將產生嚴重誤差。圖10比較了傳統(tǒng)TVS二極管相對于TDS系列的V_RWM與最大漏電流。湖南靜芯推出的TDS由于工藝變化小、穩(wěn)定性高，因此可以在全工作電壓以及全溫度范圍內保證低漏電，而傳統(tǒng)TVS二極管難以保證漏電流小于1μA。在高溫下，傳統(tǒng)TVS二極管的漏電流甚至接近1mA，這會顯著影響信號完整性并導致低功率系統(tǒng)的效率降低。

圖10 TDS系列與傳統(tǒng)TVS二極管的最大漏電流 vs. V_RWM

4. 功率與溫度降額

傳統(tǒng)TVS二極管雖被設計成可以在廣泛的溫度范圍內工作，但高溫環(huán)境下或者TVS二極管自身熱損耗上升情況下，仍需要考慮浪涌事件期間是否會超過TVS二極管的最大額定功率，避免器件產生熱損壞。

圖11 TDS與傳統(tǒng)TVS的溫度降額曲線

? ? ? 圖11顯示了ESTVS3300DRVR和SMAJ33A在環(huán)境溫度范圍內8/20μs P_PP的降額曲線，傳統(tǒng)TVS二極管額定耗散功率隨著環(huán)境溫度的升高而急劇降低，其對溫度變化非常敏感，這對于后端系統(tǒng)防護存在重大安全隱患。在TDS系列中，鉗位電壓的閉環(huán)調節(jié)可以保證器件在不同溫度下的額定功率的穩(wěn)定性。這意味著與傳統(tǒng)TVS二極管相比，溫度的降額非常小，從而有效保證整體系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，在防護系統(tǒng)設計時一定要考慮器件額定功率與溫度的關系，以避免系統(tǒng)在不同溫度下工作時造成損壞。

5. 可靠性

任何新型浪涌防護技術替代傳統(tǒng)TVS浪涌保護方案時，一個重點關注的點是器件的可靠性。由于瞬態(tài)浪涌能量在短時間聚集流過器件，并且經歷多次沖擊保護器件必定會使得器件自身過熱，從而可能會導致器件的擊穿特性、鉗位電壓和導通電阻等特性產生變化，甚至會導致器件的熱擊穿。為了測試這種情況，對ESTVS3300DRVR進行了4,000次重復的30A 8/20μs浪涌脈沖測試，脈沖之間間隔小于15秒，環(huán)境溫度為125℃。圖12顯示了每4,000個脈沖后的V_CLAMP、I_PP和漏電情況。最終的測試結果表明，TDS即使在完整的耐久性測試后，V_CLAMP和漏電流也沒有任何偏移。

圖12 ESTVS3300DRVR 8/20μs脈沖4000次

6. 電容

為了防止不必要的信號失真，保護方案應盡可能對被受保護系統(tǒng)不產生任何影響。但是，TVS二極管或者保護電路一定都具有影響系統(tǒng)性能的固有電容，因此電容越低，保護方案對信號完整性產生負面影響的可能性就越小。圖13顯示了TDS系列與TVS器件在不同工作電壓下的電容值。分立式TVS二極管在較低工作電壓下可能會引入顯著的電容。而TDS引入的電容顯著低于傳統(tǒng)TVS二極管。低電容有助于減少信號衰減和失真，從而保證數據傳輸的完整性和一致性。

圖13 TDS與傳統(tǒng)TVS二極管的電容對比圖

7. 封裝尺寸和熱管理

由于TDS的鉗位效率高，在浪涌事件中，與傳統(tǒng)TVS二極管解決方案相比，TDS自身耗散的功率遠低于傳統(tǒng)TVS器件，自身發(fā)熱更低?？紤]一個30A 8/20μs的浪涌脈沖，使用ESTVS3300DRVR器件，峰值脈沖功率（P_PP）為38V*30A=1140W；對于一個類似的TVS二極管，在小外形二極管SOD-123封裝中，P_PP為54V*30A=1620W，相比于TDS增加了40%。考慮到這一點，從圖14中可以看出，TDS的2mm×2mm×0.68mm 6引腳封裝比傳統(tǒng)TVS二極管的SOD-123封裝縮小60%，有效降低PCB面積，并且兼顧防護性能。

圖14 封裝尺寸對比

? ? ? 考慮到TDS具有較低的耗散功耗，因此TDS可以放置在更小的封裝中。但TDS是如何實現(xiàn)約60%的減少呢？首先TDS放置在緊湊的封裝中來實現(xiàn)這一點，這樣可以降低器件面積而不影響熱性能。為了更好地理解為什么封裝不會損害TDS的性能（以及封裝在浪涌鉗位器件中的一般作用），讓我們引入材料的熱擴散長度（L_θ）概念。L_θ描述了熱能在材料中傳播的距離，如等式（4）所示。

(4)

? ? ? 其中,D_θ≈0.5cm2/s（對于硅）。

在8/20us IEC 61000-4-5事件中，熱擴散長度約為32um。由于32um遠小于典型硅芯片的厚度（約120um-280um，見圖15），因此來自8/20μs浪涌脈沖的所有熱能都已經在硅芯片內部消散，熱能并不會傳導到封裝。此時，封裝尺寸和熱特性與非重復性8/20us浪涌事件中的功率耗散無關。綜上，TDS可以放置在緊湊型封裝中，以此來降低面積。

圖15 帶有銅散熱片的封裝芯片插圖

? ? ? 在10/1000μs浪涌事件期間，熱擴散長度約為224μm，接近典型硅芯片的厚度。對于10/1000μs浪涌事件，熱量可以開始達到硅與封裝的邊界，封裝的熱阻開始在浪涌性能中發(fā)揮作用。

設計示例1–40V與60V系統(tǒng)設計

作為TDS如何改善系統(tǒng)設計的示例，讓我們看看在通用工業(yè)系統(tǒng)中由于傳統(tǒng)TVS二極管較差的鉗位性能所面臨的設計困難。假設該系統(tǒng)需要支持33V的正常工作電壓。為了使用標準TVS二極管保護該系統(tǒng)，設計者必須選擇一個在整個溫度范圍內V_RWM大于33V的器件，以考慮溫度變化情況。許多傳統(tǒng)TVS二極管僅在25℃時規(guī)范V_BR、漏電流以及鉗位電壓。但是隨著溫度升高，傳統(tǒng)TVS二極管的擊穿電壓會明顯升高，漏電流也會增加，鉗位電壓升高，這會使保護方案設計變得更加困難，因為V_BR通常在-40℃時最低。為了在-40℃支持33V，您需要選擇一個V_BR接近39V的TVS。典型的SMF系列TVS在I_PP=30A時的浪涌V_CLAMP約為55V。浪涌保護二極管下游的組件必須額定高于V_CLAMP(>55V)，以避免在浪涌事件期間造成任何損壞，從而增加系統(tǒng)成本和復雜性。如果僅僅考慮25℃時的器件特性，這對于整個系統(tǒng)的浪涌防護將會存在極大的安全隱患。

現(xiàn)在考慮ESTVS3300DRVR應用于相同的33V系統(tǒng)設計。當I_PP=30A時，ESTVS3300DRVR會將受保護的總線鉗制到39V。鉗位電壓的閉環(huán)調節(jié)確保在整個浪涌泄放過程中和溫度下的電壓變化最小。設計者將受保護的組件設計為較低的電壓容差，這意味著器件的變化更小，組件尺寸更小，相應的系統(tǒng)成本更低。因此在防護方案設計時不應該過多強調防護器件本身的成本，更要考慮整體系統(tǒng)的成本以及可靠性。

設計示例2–4-20mA工業(yè)網絡中的節(jié)點

第二個示例是一個應用程序，位于4-20mA回路工業(yè)網絡中。工廠自動化終端或發(fā)射器節(jié)點需要保護多個下游組件，包括多路復用器、模數轉換器（ADC）、4-20mA收發(fā)器和LDO穩(wěn)壓器。不幸的是，大多數集成電路的資料通常不提供瞬態(tài)電壓抗擾度等級，這使得選擇合適的組件以穩(wěn)定地保護您的系統(tǒng)變得具有挑戰(zhàn)性。為了理解TDS在系統(tǒng)保護中的技術優(yōu)勢，根據4-20mA電流環(huán)路發(fā)射器參考設計，比較傳統(tǒng)分立TVS二極管的浪涌保護實施與使用TDS的實施。

圖16 4-20mA電流回路變壓器示意圖

? ? ? 圖16是參考設計的原理圖，目前使用SM6T39CA進行浪涌保護。在這個傳統(tǒng)TVS二極管的輸出端有額外的二極管和一個BJT，以保護LDO免受更高電壓的影響。TVS下游受保護的部件包括LDO（TPS7A1601-U1）、由4-20mA控制的BJT、數模轉換器（DAC）、反向極性保護中的二極管和輸入電容器（C3）。這些器件中的每一個的耐壓值都必須高于浪涌保護TVS二極管的最大鉗位電壓，以防止系統(tǒng)損壞。對于I_PP=35A 8/20μs浪涌事件，SM6T39CA預計將在50V左右鉗位。在同一應用中，ESTVS3300DRVR將在39V鉗位，并且可以實現(xiàn)更小更便宜的系統(tǒng)解決方案，并且完全保證了系統(tǒng)在整個工作溫度范圍內的可靠性。

結論

湖南靜芯TDS系列為設計人員提供了優(yōu)化系統(tǒng)電壓、尺寸和成本的新選擇。該技術能夠轉移瞬態(tài)浪涌電流，同時提供精確、平緩且不受溫度影響的鉗位電壓，從而最大限度地減少受保護系統(tǒng)的殘余電壓。這使得受保護的下游組件在電壓容差上的考慮不再緊張，從而顯著節(jié)省了空間和成本。該保護解決方案的尺寸相比于傳統(tǒng)分立TVS二極管縮小60%，并且具有更低的電容和漏電流，因此新應用在更小外形尺寸上的可能性也隨之增加。

靜芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想狀況的ESD和EOS保護特性，可以廣泛應用于USB/雷電接口、工業(yè)機器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器、IIoT設備、可編程邏輯控制器(PLC)和以太網供電(PoE)等領域，可為系統(tǒng)提供更全面以及更可靠的保護。目前公司推出來ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型號，歡迎客戶前來咨詢選購。