瞬態電壓抑制（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設計帶來了挑戰。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，這無疑增加了系統浪涌防護方案的復雜度以及增加系統的設計成本。

湖南靜芯半導體設計了一種SurgeController浪涌控制器，以下簡稱TDS（TransientDivertingSuppressors），以抑制系統中引入的瞬態浪涌事件。這種采用IC技術提供了一種穩健的浪涌解決方案，不再基于傳統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器件提供精確、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的殘壓。

TDS器件的封裝體積比行業標準的SMA/SMB封裝小90%，其電容更低，漏電流比傳統的TVS解決方案低50%。

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

浪涌保護需求

隨著工業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設備提供了比以往更多的效力，但較小的封裝對工業環境中常見的瞬態應力的防護力較低。與消費電子設備不同，大多數工業系統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。工業系統的產品需要在惡劣環境中運行，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設備的必要條件。

多年來，行業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成本和體積增加。為了克服這些缺點，同時確保系統的穩定性和可靠性，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通過了IEC 61000-4-5，這是系統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（通常發生在電力系統切換瞬態或閃電放電場景中）具有更長的脈沖持續時間和更高的能量。

IEC 61000-4-5標準根據設備安裝的位置，規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境，而第3類用于電纜并行運行的環境。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定性，lEC 61000-4-5標準定義了組合波形發生器（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（CC）充電的電源。在開關S1閉合時，CC通過由RS1、Rm、Lr和 RS2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TVS二極管的浪涌防護方案

傳統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（VRWM，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）。在系統設計中，VRWM的選取需滿足不低于系統工作電壓上限的要求，否則當工作電壓超過VRWM時，TVS二極管將進入導通狀態并產生顯著漏電流。

擊穿電壓（VBR）定義了TVS二極管開始主動導電以限制瞬態事件的反向電壓。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電阻（RDYN）而上升。在瞬態事件期間，數安培范圍內的電流被迫流過保護器件。通過RDYN的瞬態電流將導致TVS二極管上的電壓降逐漸上升。在額定浪涌電流（IPP）下，TVS二極管兩端的電壓降被定義為TVS的鉗位電壓（VCLAMP）。對于傳統的TVS二極管，RDYN是固定的，而VCLAMP直接取決于電流水平（圖5）。在指定的瞬態浪涌電流水平下，VCLAMP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RDYN。即使在非常大的二極管面積下，8/20μs浪涌RDYN也可能達到數百毫歐姆。因此，TVS二極管通常具有相對于其VRWM高的VCLAMP，設計人員必須采取額外措施來設計一個穩定且可靠的系統。

為了防止在浪涌事件中系統發生故障，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定的系統，但會導致更高的系統成本、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RDYN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

湖南靜芯提供SurgeController浪涌控制器件（TDS）來幫助設計人員消除使用傳統TVS二極管設計時所面臨的挑戰。圖6是TDS器件的功能框圖，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電壓（VBR）。當受保護端口的輸入電壓低于觸發電壓時，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（VIN）高于觸發電壓，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引腳的電壓持續上升。柵極驅動電路的設計使得調節回路能夠保持VDD/IO引腳的VCLAMP非常接近VBR。由于內置的FET具有極低的導通電阻，即使更多的瞬態浪涌電流從受保護引腳流過器件時，VCLAMP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（ΔVIN）通過電壓感應電路和柵極驅動電路導致NG節點上的電壓變化（ΔVNG）。

公式1定義了增益（AG）：

(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AG和gm的值較高，因此總體增益AG非常高，VDD/IO引腳上的ΔVIN在觸發后會導致較大的電流變化(ΔIIN)。通過這種方式，反饋機制將浪涌鉗位器件的動態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浪涌保護解決方案，具有相較于傳統TVS二極管的獨特優勢。

TDS與傳統TVS二極管：關鍵參數對比

TDS是傳統分立式TVS二極管的替代品，具有多種優勢。

1.導通電阻RDYN和鉗位電壓

導通電阻RDYN定義為器件觸發后I-V曲線的斜率，其直接決定了器件鉗位電壓的幅值。RDYN越大，器件在額定浪涌電流范圍內鉗位電壓上升越大。RDYN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TVS二極管的RDYN和鉗位電壓。如前一節所述，由于TDS中的AG和gm的值非常大，公式3顯示的RDYN可以接近零：

(3)

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

圖7 TDS與傳統TVS二極管的直流IIN-VIN曲線	圖8 TDS與傳統TVS 8/20μs波形圖

2.溫度特性

由于TDS內置溫度補償，因此TDS器件的觸發電壓、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器件的鉗位電壓在-40℃~125℃的工作溫度范圍內保持平緩。該優異特性有效保護USB-PD、傳感器等設備在惡劣環境中長時間工作。

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浪涌電流，其漏電流為皮安（pA）量級。相比于傳統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TVS二極管相對于TDS系列的VRWM與最大漏電流。湖南靜芯推出的TDS器件由于工藝變化小、穩定性高，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TVS二極管難以保證漏電流小于1μA。在高溫下，傳統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的效率降低。

圖12 TDS系列與傳統TVS二極管的最大漏電流 vs. VRWM

4.功率與溫度降額

傳統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13顯示了ESTVS3300DRVR和SMAJ33A在環境溫度范圍內8/20μs PPP的降額曲線，傳統TVS二極管額定耗散功率隨著環境溫度的升高而急劇降低，其對溫度變化非常敏感，這對于后端系統防護存在重大安全隱患。在TDS系列中，鉗位電壓的閉環調節可以保證器件在不同溫度下的額定功率的穩定性。這意味著與傳統TVS二極管相比，溫度的降額非常小，從而有效保證整體系統的可靠性。綜上所述，在防護系統設計時一定要考慮器件額定功率與溫度的關系，以避免系統在不同溫度下工作時造成損壞。

圖13 TDS與傳統TVS的溫度降額曲線

5.可靠性

任何新型浪涌防護技術替代傳統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，環境溫度為125℃。圖14顯示了每4,000個脈沖后的VCLAMP、IPP和漏電情況。最終的測試結果表明，TDS器件即使在完整的耐久性測試后，VCLAMP和漏電流也沒有任何偏移。

圖14 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15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15 TDS與傳統TVS二極管的電容對比圖

7.封裝尺寸和熱管理

由于TDS技術的鉗位效率高，在浪涌事件中，與傳統TVS二極管解決方案相比，TDS自身耗散的功率遠低于傳統TVS器件，自身發熱更低?？紤]一個30A 8/20μs的浪涌脈沖，使用ESTVS3300DRVR器件，峰值脈沖功率（PPP）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，PPP為54V*30A=1620W，相比于TDS器件增加了40%。考慮到這一點，從圖16中可以看出，TDS的2mm×2mm×0.68mm 6引腳封裝比傳統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16封裝尺寸對比

考慮到TDS器件具有較低的耗散功耗，因此TDS器件可以放置在更小的封裝中。但TDS是如何實現約60%的減少呢？首先TDS放置在緊湊的封裝中來實現這一點，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器件的性能（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（Lθ）概念。Lθ描述了熱能在材料中傳播的距離，如等式（4）所示。

(4)

其中,Dθ≈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17），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器件可以放置在緊湊型封裝中，以此來降低面積。

圖17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揮作用。

設計示例1–40V與60V系統設計

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

現在考慮ESTVS3300DRVR應用于相同的33V系統設計。當IPP=30A時，ESTVS3300DRVR會將受保護的總線鉗制到39V。鉗位電壓的閉環調節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，更要考慮整體系統的成本以及可靠性。

設計示例2–4-20mA工業網絡中的節點

第二個示例是一個應用程序，位于4-20mA回路工業網絡中。工廠自動化終端或發射器節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收發器和LDO穩壓器。不幸的是，大多數集成電路的資料通常不提供瞬態電壓抗擾度等級，這使得選擇合適的組件以穩定地保護您的系統變得具有挑戰性。為了理解TDS器件在系統保護中的技術優勢，根據4-20mA電流環路發射器參考設計，比較傳統分立TVS二極管的浪涌保護實施與使用TDS器件的實施。

圖18 4-20mA電流回路變壓器示意圖

圖18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，以防止系統損壞。對于IPP=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，并且可以實現更小更便宜的系統解決方案，并且完全保證了系統在整個工作溫度范圍內的可靠性。

結論

湖南靜芯TDS系列SurgeController浪涌控制器為設計人員提供了優化系統電壓、尺寸和成本的新選擇。該技術能夠轉移瞬態浪涌電流，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，從而顯著節省了空間和成本。該保護解決方案的尺寸相比于傳統分立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。

TDS器件的鉗位性能優異、溫度特性穩定，在汽車和工業控制領域將會有極大的應用前景和市場。湖南靜芯同時推出5V、14V、18V、22V、27V、33V、40V、45V、58V等各種電壓的SurgeController浪涌控制器（TDS），可為系統提供更全面以及更可靠的保護，歡迎客戶前來咨詢選購。

湖南靜芯是一家專門從事高可靠性器件與芯片設計的高新技術企業，為客戶提供面向汽車、工業、物聯網等高可靠性傳感器及相關芯片、半導體器件和應用系統等產品和服務。

審核編輯 黃宇