靜電、浪涌與TVS管（測試標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)、選型）

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ESD和浪涌問題往往是基帶工程師最頭疼的問題，因為測試標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛，問題神出鬼沒。特別是ESD問題，沒有解決問題的標(biāo)準(zhǔn)路徑，只能靠反復(fù)地構(gòu)思方案并驗證。

想要盡量避免以上問題，就必須選擇合適的防護器件，設(shè)計上做足防護措施。本文告訴你ESD和浪涌的測試標(biāo)準(zhǔn)，測試方法，以及如何選擇TVS器件。

1 TVS管測試標(biāo)準(zhǔn)

這里說的TVS管包括防ESD用的小功率TVS管（本文簡稱ESD管）和防浪涌用的大功率TVS管（本文簡稱浪涌管）。

這里說的測試標(biāo)準(zhǔn)指TVS器件規(guī)格書上標(biāo)明的測試標(biāo)準(zhǔn)：

IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——靜電測試標(biāo)準(zhǔn)，必須通過，提供測試數(shù)據(jù)

IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分廠家才會提供數(shù)據(jù)

IEC61000-4-5（8/20us）——浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)，必須通過，提供測試數(shù)據(jù)

下面是安森美ESD5481MUT5G，用在一般信號線上的ESD管規(guī)格書提供的信息，人家一個小管子，完成了三個標(biāo)準(zhǔn)的測試。怪不得菊花廠很喜歡用。

1.1 IEC61000-4-2 ESD Protection

這個是靜電放電抗干擾度試驗標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)國標(biāo)GB/T 17626.2-2018。先看一下放電槍的原理框圖：

• Cd是放電槍和周圍環(huán)境的分布電容；
• Cd+Cs的典型值為150pF；
• Rd典型值是330Ω；

以4KV接觸放電為例，下圖顯示了靜電槍釋放出來的波形，第一個峰值電流要求15A，上升時間tr=0.8ns，30ns處的電流8A，60ns處的電流4A。其他等級的ESD參數(shù)詳見標(biāo)準(zhǔn)，有個規(guī)律，電流的增加隨電壓要求成正比增加，tr的要求是一樣的。可見靜電的電壓很高，電流也很高，但是時間非常短，所以能量很低。

ESD的測試環(huán)境是：

• 環(huán)境溫度15℃-35℃
• 相對濕度30%-60%
• 大氣壓86kPa-106Kpa
• 靜電的注入點要注意，有金屬的地方，才適合做接觸放電，如果是絕緣的，沒必要做接觸放電。

1.2 IEC61000-4-4 Protection

電快速瞬變脈沖群抗干擾度試驗，對應(yīng)國標(biāo)GB-T17626.4。這個脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如下，輸出阻抗是50Ω。

單個脈沖和群脈沖要求如下：

規(guī)格書中會給出5/50ns, 40A的通過標(biāo)準(zhǔn)，意思是波形符合上面時間要求，電壓幅度最高值是通過40A電流是的電壓值。現(xiàn)在很多廠家都不做這個測試了。

1.3 IEC61000-4-5 Transient Voltage Protection

這個是浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)國標(biāo)GB T17626.5-2008。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了10/70us組合波發(fā)生器，1.2/50us組合波發(fā)生器的詳細要求。這個“組合波發(fā)生器”就是浪涌測試儀。

在消費類電子領(lǐng)域，我們主要用到1.2/50us組合波。這個“1.2/50us”是對浪涌測試儀的電壓放電要求，標(biāo)題中的“8/20us”是對浪涌測試儀的電流放電要求，下文會詳細解釋。

下圖是浪涌測試儀的內(nèi)部原理，在沒有負(fù)載（開路）情況下，浪涌測試儀應(yīng)該要輸出波前電壓1.2us，電壓半峰值時間50us。在輸出短路情況下，應(yīng)能輸出波前電流8us，電流半峰值時間20us。開路輸出電壓與短路輸出電流的比值成為浪涌測試儀內(nèi)阻，要求是2Ω。

下面是1.2/50us電壓波形和8/20us電流波形規(guī)定，特別注意，這些都是儀器不連接被測設(shè)備，并且沒有耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)時的波形要求。

如果連接了被測設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)上沒有波形要求。

如果連接的去耦合網(wǎng)絡(luò)，波形的過充和下沖也會受到影響，標(biāo)準(zhǔn)沒有限制。

下面是消費類電子領(lǐng)域經(jīng)常用的浪涌設(shè)備的耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)原理圖，浪涌是注入到設(shè)備的供電線中的，去耦合網(wǎng)絡(luò)是為了保護供電設(shè)備不受破壞。手機項目中一般選用二極管耦合/去耦合。

2、TLP測試

Transmission Line Pulse測試，用100ns脈寬的方波，測量不同電壓幅度下的電流值，電壓值一直增加到管子損壞為止。100ns比IEC61000-4-2規(guī)定的靜電波形1ns大得多，這更能考驗ESD管的性能，也更能反應(yīng)ESD管的鉗位能力，下圖是浪涌測試和TLP測試的比較，明顯TLP的能量更大。

當(dāng)我們看到兩個ESD管都能通過接觸±8kV靜電測試的時候，我們該如何去選擇呢，這個時候我們要看ESD的管的鉗位電壓那個更低，如果都差不多，就再用TLP測量出I-V曲線，如下圖，對比同樣電流下的鉗位電壓，低的那個就是最好的。

3、ESD管接觸放電實測波形一個ESD管的接觸±8kV實測波形，可以看到ESD管可以把8kV的電壓鉗位到30V左右，還是很厲害的。

4、浪涌管實測波形

5、TVS管的技術(shù)指標(biāo)Ipp：

最大反向峰值電流，就是按照按照IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)，8/20us電流波形，電容/電感去耦合網(wǎng)絡(luò)測試的。這個值越大，TVS管性能越好。Vc@Ipp：鉗位電壓，達到最大電流Ipp時，鉗位電壓值。這個值，越小越好Vrwm：最大反向工作電壓，被保護的信號，其正常工作時的電壓不能超過這個電壓。其實這個電壓是TVS管反向漏電流為1uA時的電壓值，如果電壓再大，反向電流會很快增加。TVS型號上的數(shù)字就是這個電壓。Vbr：反向擊穿電壓，二極管反向電流達到1mA時的電壓值。當(dāng)反向電壓超過這個值時，反向電流會急劇增加。Cj：結(jié)電容，一般是pF級別，用在高速信號線上時，比如USB2.0的D+和D-，結(jié)電容要小于1pF。Pppm：按照IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)測試出來的最大Ipp乘以此時的鉗位電壓Vc。浪涌管選型，不要只看這個值，更要看鉗位電壓是多少。

6、ESD管和浪涌管選型

Vrwm不得小于被保護信號的工作電壓。

從減少漏電的角度考慮，Vrwm比被保護信號的工作電壓越大，漏電流越小。不要小看1uA的漏電流，很多器件的待機電流都是nA級別的哦。

從保護強度的角度考慮，Vrwm越接近信號工作電壓，管子的鉗位電壓Vc越低，對信號的保護作用越好。

ESD管和浪涌管的靜電防護等級要大于產(chǎn)品本身要求的防護等級。

ESD管和浪涌管的的靜電鉗位電壓，浪涌鉗位電壓越低越好。

浪涌管的鉗位電壓要小于被保護電路的maximal rating.

浪涌管的功率要求：假設(shè)要通過300V浪涌，要求鉗位電壓是20V以內(nèi)，因為浪涌測試儀的內(nèi)阻是2ohm，所以最大輸出電流是(300V-20V)/2ohm=140A，則要選擇管子功率在140A*20V=2800W以上。當(dāng)然，如果這個浪涌管的鉗位電壓小于20V，對功率的要求還能低一些。

管子的保護性能，主要跟鉗位電壓有關(guān)，不要看Ipp之類的參數(shù)。

簡言之，先看Vrwm，再看Vc，在看功率，沒什么難的。

7、我用過的TVS管

8、大廠浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)