TVS 管选型与 ESD 防护设计

基于TVS管的机载电子设备闪电防护设计中¹提到的 TVS 管的设计是针对航空机载电子产品闪电防护。我这里借用其中讲述的 TVS
管的选型方法和闪电防护设计思路，来做电路板的静电防护（ESD）设计。

1. ESD 防护设计

静电防护设计是让电路板外接的各类金属按钮开关在接触到外界空气放电或接触放电时，在这种瞬间出现的大能量注入到电路板后，能够通过某种设计好的通道泄放到大地中，从而保护后端电路免受静电的影响。

2. TVS管的基础特性

TVS管的保护原理是根据 PN 结构特性决定的，在TVS管两端的电压大于一个定值时，TVS管将被反向击穿，瞬间形成一个导通通路，将管子两端的大电流导出，同时将管子两端的电压钳位在一个固定电压值，TVS管的使用和工作特性如图所示：

结合上图中的TVS工作特性曲线，当管子两端的反向电压大于VRWM后，管子开始反向导通，当反向电压大于VBR后，管子开始被反向击穿，此时电流开始突变，最终当反向电压大于VC后，管子处于雪崩击穿状态，此时流过管子的电流急剧增加，而管子两端的电压值变化不大。

3. TVS管的选型方法

在TVS管选型过程中，根据实际保护的信号幅值特性，需要考虑3个参数，反向工作电压VRWM、击穿电压VBR、钳位电压Vc。 首先要明确被保护电路的工作电压，最大工作电压要小于VRWM，保证信号特性基本保持不变，其次根据VRWM
确定VBR，VBR = VRWM/KBR (KBR=0.8~0.9)，最后根据后端接口芯片或处理器芯片等的最大瞬态耐压值确定Vc，保证Vc电压值小于后端芯片管脚的最大耐压值。

对于高频数据线路，TVS管的寄生电容也是一个考虑因素，寄生电容太大，会对高频数据线的传输造成影响，从而影响数据通信，TVS管的寄生电容选择如表所示：

4. TVS管布局细节

在做电路板的TVS管布局时，需要重点考虑TVS管的布局位置，在受保护电路的输入端放置，布线尽可能短而宽，防止过长导线产生的自感应影响，尽可能达到TVS管的最佳工作效果。

5. 参考文献

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1. 杨启帆,张道泽,朱恩亮,马晓晨.基于TVS管的机载电子设备闪电防护设计[J].航空计算技术,2020,50(06):96-100. ↩︎