作者：Art Kay

在上篇電氣過應力博客中，我們介紹了瞬態電壓抑制器 （TVS） 的技術參數。在本文中，我們將介紹逐步為設計選擇最佳 TVS 的流程。

1. 考慮封裝尺寸與最大功耗。TVS 的額定功率計算方法通常是用最大鉗位電壓乘以最大峰值脈沖電流 （PPP = IPP?VC） 。最大功耗一般針對 1ms 脈沖。使用高額定功率 TVS 的優勢是 V-I 曲線在該（擊穿）區域的斜率很陡。我們隨后會更詳細地介紹鉗位區域的 V-I 特征，但重點是如果給定故障電流下的器件具有更高的額定功率，故障條件下的穩壓會更好。

注意，在圖 1 中功耗與封裝尺寸有關。可惜的是，與放大器封裝相比 TVS 的封裝尺寸很大。但是，沒有必要為每個放大器配備 TVS。一個 TVS 可用于整個電源總線，或者也許可在大型 PCB 中使用幾個 TVS。在該實例中，我們將選擇 400W 的封裝來最大限度地縮小 TVS 尺寸。在后續計算中，我們將看到故障電壓如何因為大故障電流而增加。

圖 1：TVS 的封裝尺寸與功耗實例

2. 為應用選擇等于最大額定工作電源電壓的反向對峙電壓。在本示例中，最大電源電壓等于指定的最大值（表 3 中為 ±18V），因此我們選擇的對峙電壓是 18V。只要電源電壓小于反向對峙電壓，TVS 漏電流就會保持為較低的水平（一般是微安級），在 TVS 產品說明書中通常由整個溫度范圍決定。表 1 是一個 TVS 實例，提供 18V 對峙電壓以及與其相關的 5uA 和 10uA 漏電流。

表 1：瞬態電壓抑制器（400W 和 5000W 兩種選項）的技術參數實例

部件編號反向對峙電壓VR漏電流VR IR擊穿電壓VBR擊穿電流IBR最大鉗位電壓 VC最大峰值脈沖電流 IPP峰值功率 PPP

最小最大

SMAJ18A18V5uA20.0V22.1V1mA29.2V13.7A400W

5.0SMDJ18A18V10uA20.0V22.1V1mA29.2V172A5000W

表 2：OPA192 的絕對最大額定參數表

數值單位

電源電壓±20（+40，單電源）V

信號輸入終端電壓共模（V-） - 0.5至（V+） + 0.5V

差分（V+） - （V-） + 0.2V

電流

±10mA

輸出短路連續

工作溫度-55 至 +150℃

存儲溫度-55 至 +150℃

結溫+150℃

靜電放電 （ESD） 額定參數人體模型 （HBM）4kV

帶電器件模型 （CDM）1kV

表 3：OPA192 的工作技術參數

電氣特性

TA = +25C，VCM = VOUT = VS/2，RLOAD = 10k?（連接至 Vs/2），另有說明的除外。

參數測試條件最小值典型值最大值單位

電源

VS指定電壓范圍

+4.5

+36V

IQ每個放大器的靜態電流IO = 0A

11.2mA

TA = -40C 至 25C、IO = 0A

1.5mA

3. 確定 TVS 器件導通并保護放大器時電壓與電流的關系。要了解這一關系，您需要考慮擊穿電壓 （VBR） 和鉗位電壓 （VC）。擊穿電壓 （VBR） 是 TVS 保護開始擊穿或“接通”以及開始吸收大量電流的電壓點。增大通過 TVS 的電流會導致其電壓稍微上升。這一上升源自串聯電阻器以及該器件的自熱。鉗位電壓是指在特定大電流下整個 TVS 的電壓。在本示例中，13.7A 電流下的鉗位電壓是 29.2V（見表 1 中的 400W 選項）。TVS 的目的是將電壓限制在放大器絕對最大額定值以下。整個 TVS 的實際電壓取決于通過它的電流，而且該電壓將介于擊穿電壓和鉗位電壓之間。

在圖 2 中您可以看到，V-I 特性在擊穿電壓和鉗位電壓之間呈線性。可使用這兩個點導出該線路公式。該公式可用來確定擊穿電流與最大峰值脈沖電流之間任意電流對應的反向電壓。我們可根據預期的故障電流利用該公式得出應用的最大電壓。公式 （1） 至 （3） 是線性方程以及本示例斜率與截距的推導。

圖 2：TVS 器件的 V-I 曲線

4. 估算出現故障時流過 TVS 的最差情況電流，并計算相應的故障電壓。最終目的是將過壓條件限制在安全水平內（即在絕對最大電源電壓以下）。要估算故障電壓，我們必須知道我們能夠預期的故障電流。預期的故障電流取決于應用。如果電源連接至電感負載或者應用處于存在強電磁場的位置，故障電流可能會比較高。如果電源表現良好而且應用處于屏蔽環境，故障電流可能會比較低。進行這樣的估算，不僅可能要涉及一些工程設計假設，而且還將取決于您對估算的保守程度。對于我們所舉示例中的問題，我選擇的故障電流假設為 2A。我們可通過計算線性方程得出 23.14V 的故障電壓限值，見公式 （4）。

5. 對比故障電壓與放大器絕對最大電壓。在本示例中，絕對最大電壓是 ±20V（見表 2），而最大故障電壓則是 2A 故障電流下的 23.14V（見公式 （4））。在理想情況下，故障電壓小于或等于絕對最大值，才能避免損壞器件。該 TVS 不符合這一要求。如果故障電壓大于絕對最大電壓，可考慮以下三種選項。

a. 使用較低額定電源電壓。在本示例中，我們將額定電源電壓設定為 ±18V，因此對峙電壓 （VR） 也被設定為 18V。該器件的絕對最大值是 ±20V。工作電壓與絕對最大電壓之間只有 2V 的差別。如果故意使用較低的額定電源電壓（例如 ±15V），那么額定電源電壓與絕對最大電壓之間的裕度就會變大（例如 Vmax – Vnominal = 20V – 15V = 5V）。裕度增大后，就更容易找到符合要求的 TVS。

b. 尋找更好的 TVS。有些 TVS 二極管可能比其它產品更適合您的應用。在本示例中，我們選擇了具有 400W 額定功率的 TVS。選擇具有更高額定功率的器件可降低 2A 電流下的故障電壓。本示例中如果使用 5000W TVS 取代 400W 器件，可將故障電壓從 23.14V 降低到 22.59V。不過，您永遠都找不到具有理想特性的器件，因為制造工藝都有局限。

c. 使用即便故障電壓大于絕對最大電源電壓的 TVS。從表面上看，似乎允許故障電壓超過絕對最大參數值是個極為糟糕的主意。但是，有保護總比沒保護強。在很多情況下，找到在整個工作電壓范圍內關閉、而在絕對最大電源極限到來之前立即導通的 TVS 并不現實。需要記住的一點是絕對最大技術參數存在一定的裕度。

6. 考慮成本。將搜索范圍縮小到一定程度后，可通過考慮成本來做最后的選擇。