Выбор TVS: рабочее напряжение, напряжение ограничения, ток, ёмкость

TVS выбирают по четырём числам, и порядок имеет значение. Ошибётесь с рабочим напряжением — он будет проводить в нормальном режиме; ошибётесь с напряжением ограничения — он ничего не защитит.

Краткий ответ

VRWM(рабочее напряжение) должен быть выше максимального длительного напряжения с учётом допуска и пульсаций.
VC(ограничение) при вашем импульсном токе должно быть ниже абсолютного максимума защищаемой ИС.
IPPдолжен превышать импульсный ток для стандарта, по которому вы проводите испытания.
Емкостьдолжна соответствовать сигналу: сотни pF по питанию, менее нескольких pF по высокоскоростным данным.

1. Четыре числа

TVS voltage-current curve showing standoff, breakdown and clamping — Рисунок 1 — Ниже VRWM компонент имеет утечку в микроамперах; выше пробоя он проводит ток и ограничивает напряжение.

Параметр	Правило	Отказ при ошибке
VRWM	Above rail max, with margin	Leaks or conducts in normal use
VBR	Above VRWM; sets conduction point	Clamps too early or too late
VC at IPP	Below IC absolute maximum	IC dies with the TVS intact
C	Fits the signal budget	Eye closure on high-speed links

2. Напряжение ограничения — это кривая, а не число

Clamping voltage versus peak current for three TVS types — Рисунок 2 — Значение из даташита измеряется при одном токе; при более высоком токе оно возрастает вместе с динамическим сопротивлением.

VCL(I) ~ VBR + Rd x I

Пример: контактный разряд ESD 8 кВ -> около 24 А
VBR 6.1 V, Rd 1 Ом -> VCL ~ 30 В на компоненте

Именно поэтому указанное в техническом описании «напряжение ограничения 12 В» не означает, что ИС увидит 12 В при ударе 8 кВ. ИС видит напряжение ограничителя плюс индуктивное падение на дорожке между ними — и это аргумент в пользу размещения TVS у разъема.

Динамическое сопротивление — полезный параметр для экстраполяции. Компонент с 0.5 Ω добавляет 12 В при 24 А; компонент с 1.5 Ω добавляет 36 В. Два компонента с одинаковым заявленным напряжением ограничения могут вести себя совершенно по-разному при реальном импульсе.

3. Сначала выберите стандарт

IEC 61000-4-2 ESD, 61000-4-4 EFT and 61000-4-5 surge test levels — Рисунок 3 — ESD, EFT и импульсные перенапряжения воздействуют на компонент по-разному; один TVS редко покрывает все три.

Тест	Типичный уровень	Характеристика TVS
ESD (61000-4-2)	±8 kV contact	Fast response, low capacitance
EFT (61000-4-4)	±2 kV bursts	Repeated pulses, thermal
Surge (61000-4-5)	0.5–4 kV	High energy, larger package

4. Пример подбора

Шина 5 В с допуском ±5 % и пульсациями 100 мВ: максимальное длительное напряжение составляет около 5,35 В. Выберите компонент с VRWM не менее 5,5–6 В. Защищаемая IC имеет абсолютное максимальное напряжение 6,5 В; TVS должен ограничивать напряжение ниже этого уровня при ожидаемом токе импульса, что для ESD означает проверку кривой при 20–30 А, а не при 1 А.

Такое сочетание часто невозможно с небольшим SMD TVS на 5 В: напряжение ограничения при 24 А может составлять 15–20 В, что намного выше абсолютного максимума 6,5 В. Реалистичный ответ таков: TVS ограничивает энергию, а собственная ESD-структура IC справляется с остаточным воздействием — поэтому системное тестирование важнее, чем арифметика по даташиту.

Второй пример — промышленный вход 24 В: максимальное длительное напряжение, возможно, 26,4 В с учётом допуска. Выберите VRWM 26–28 В и проверьте напряжение ограничения при токе импульса для вашего уровня испытаний — импульс 4 кВ может давать десятки ампер, и результирующее напряжение ограничения может превысить номинал 40 В нижестоящего регулятора. Это случай для двухкаскадной схемы: высокоэнергетический компонент на разъёме плюс компонент с более низким напряжением ограничения после последовательного импеданса.

Шина	Типичное значение VRWM	Смотреть
3.3 V	3.6–5 V	Low clamp vs 3.3 V IC abs max
5 V	5.5–6.5 V	Tolerance + ripple can reach VRWM
12 V	13–15 V	Load dump if automotive
24 V	26–30 V	Clamp vs regulator rating

5. TVS по сравнению с альтернативами

Comparison of TVS, varistor, zener and polymer ESD suppressors — Рисунок 4 — Разные задачи: энергия, точность, ёмкость, размер.

Варистор поглощает больше энергии, но он медленнее и обладает ёмкостью; стабилитрон точно ограничивает напряжение, но выдерживает мало энергии; полимерный супрессор мал и быстр, но ограничен. Для входа питания обычная комбинация — TVS плюс предохранитель или eFuse; для высокоскоростных данных — массив с низкой ёмкостью.

6. Компоновка

TVS placement with a short ground return at the connector — Рисунок 5 — Короткое широкое заземление; ограничитель защищает только то, что находится после него.

Размещайте TVS у разъема, перед любым последовательным элементом.
Заземляйте короткой широкой медью и несколькими переходными отверстиями — не тонкой трассой.
Делайте защищаемую трассу короткой; каждый миллиметр добавляет индуктивность.
Не прокладывайте путь импульсного перенапряжения через землю IC.

Для компоновки выводов USB-портаруководство USBLC6 по ESDописывает ту же компоновку с числовыми значениями.

6b. Контрольный список выбора

Шаг	Проходит
VRWM	Above rail maximum with margin
Clamp at test current	Below IC absolute maximum
Peak pulse power	Above the standard's level
Capacitance	Within the signal budget
Leakage	Below the system's standby allowance
Layout	At connector, short ground

7. FAQ

Может ли один TVS защитить и питание, и данные?

Редко когда хорошо. Для питания важна обработка энергии; для данных — низкая емкость. Используйте сборку для данных и отдельный компонент для шины питания.

Почему мой TVS на 5 В проводит при 5 В?

VRWM — это допустимое рабочее напряжение, а не напряжение ограничения. Компонент с номиналом 5 В может начать проводить около 6 В, а шина с допуском может достичь этого значения. Выбирайте следующее напряжение в сторону увеличения.

Всегда ли более низкое напряжение ограничения лучше?

Не в том случае, если это достигается за счёт ёмкости или энергорассеивающей способности. Согласуйте ограничитель с абсолютным максимумом ИС, а не с наименьшим доступным значением.

Нужен ли предохранитель вместе с TVS?

Для входного питания — обычно да. TVS ограничивает переходный процесс; предохранитель или eFuse ограничивает сопровождающий ток.

Как это проверить?

Испытания IEC на системном уровне на разъёме, с кабелем и корпусом. Паспортные параметры на уровне устройства не гарантируют результаты на уровне системы.

Что такое пиковая импульсная мощность?

Это кратковременная мощность, которую компонент может поглотить, обычно указывается для формы сигнала 8/20 µs. Это не то же самое, что непрерывная рассеиваемая мощность; смотрите кривую снижения номинальных параметров.

Имеет ли значение емкость при медленном сигнале?

Только если импеданс источника высокий. На шине I2C 100 kHz с подтягивающими резисторами 4.7 kΩ уже заметны несколько сотен pF.

8. Источники

IEC 61000-4-2 / -4-4 / -4-5 — стандарты испытаний на ESD, EFT и импульсные перенапряжения.
Технические описания TVS — VRWM, VBR, VC при IPP, емкость, пиковая импульсная мощность.
Технические заметки по выбору и компоновке TVS (Littelfuse, Bourns, ON Semiconductor).