瞬态电压抑制（TVS）二极管通常是浪涌保护的热门选择。尽管它们的成本低廉和应用简单等特点使其应用广泛，但其固有的缺点仍给系统设计带来了挑战。TVS二极管对温度变化极为敏感、较高的钳位电压以及较大的封装体积，通常需要对受保护电路进行过度设计，这无疑增加了系统浪涌防护方案的复杂度以及增加系统的设计成本。
湖南静芯半导体设计了一种SurgeController浪涌控制器，以下简称TDS（Transient Diverting Suppressors），以抑制系统中引入的瞬态浪涌事件。这种采用IC技术提供了一种稳健的浪涌解决方案，不再基于传统TVS二极管中PN结进行击穿和电流泄放，而是通过内置的浪涌额定场效应晶体管将浪涌电流转移至地，其相比于TVS管中的PN结具备更低的导通电阻。因此TDS器件提供精确、平缓且与温度无关的钳位电压，从而最大限度地减少受保护系统的残压。
TDS器件的封装体积比行业标准的SMA/SMB封装小90%，其电容更低，漏电流比传统的TVS解决方案低50%。
本文简要概述了浪涌保护标准，解释了瞬态浪涌转移技术，并通过示例说明该技术如何优化系统设计。
浪涌保护需求随着工业设备设计越来越先进，对更强大、空间效率更高的电路保护需求有所增加。集成电路技术的发展将更多的功能集成在更小的半导体元件内，使得构建晶体管的尺寸缩小到纳米级别。
尽管这些集成电路为工业设备提供了比以往更多的效力，但较小的封装对工业环境中常见的瞬态应力的防护力较低。与消费电子设备不同，大多数工业系统必须符合国际标准以满足浪涌抗扰度，例如国际电工委员会IEC 61000-4-5浪涌保护和IEC 61000-4-2静电放电（ESD）保护。工业系统的产品需要在恶劣环境中运行，为了维持较长的使用寿命，可靠的浪涌保护解决方案是工业设备的必要条件。
多年来，行业在浪涌保护方面的主要选择是分立式TVS二极管（图1）。TVS二极管成本低廉，但其温度变化范围大和钳位效率低下可能导致整体系统成本和体积增加。为了克服这些缺点，同时确保系统的稳定性和可靠性，设计师通常使用耐高压的元件。这些元件成本更高，功耗更大，并占用更多的电路板空间。
图1 分立式TVS浪涌保护二极管的标准封装
浪涌抗扰度标准工程师们设计的系统通过了IEC 61000-4-5，这是系统级冲击免疫的严格标准。本标准定义了浪涌免干扰测试的测试设置和程序。与IEC 61000-4-2标准所涵盖的ESD事件不同，浪涌事件（通常发生在电力系统切换瞬态或闪电放电场景中）具有更长的脉冲持续时间和更高的能量。
IEC 61000-4-5标准根据设备安装的位置，规定了不同的级别或分类，如表1所示。例如，第1类用于部分受保护的环境，而第3类用于电缆并行运行的环境。浪涌电压水平以及来自浪涌冲击的等效阻抗（要求）决定了保护器件需要泄放的浪涌电流峰值。
表1 取决于电压等级和Req的最大峰值电流
根据表1，一个2Ω等效阻抗是CWG的固有源阻抗，它是低压电源阻抗的一个很好的模型。一个12Ω等效阻抗（2Ω来自CWG源，10Ω来自耦合网络）模拟电源和地面网络的阻抗，并在电源和地面之间发生浪涌时使用。一个42Ω等效阻抗（来自CWG源的2Ω和来自耦合网络的40Ω）模拟了所有其他线路和地面之间的阻抗。数据或信号线使用此阻抗电平。
图2 CWG的简化电路图
图3 在CWG的输出处的短路电流的波形
IEC 61000-4-5标准定义了浪涌脉冲，这些脉冲基于CWG放电到短路时的波形。短路波形具有8μs的前沿时间（类似于上升时间）和20μs的脉冲半值时间，如图3所示。
基于传统TVS二极管的浪涌防护方案传统TVS二极管作为浪涌钳位器件具有广泛应用。如图4所示的正象限I-V特性曲线中，反向工作电压（VRWM，亦称隔离电压）表征了TVS对受保护电路无明显影响的电压阈值（除寄生电容和漏电流等因素外）。在系统设计中，VRWM的选取需满足不低于系统工作电压上限的要求，否则当工作电压超过VRWM时，TVS二极管将进入导通状态并产生显著漏电流。
击穿电压（VBR）定义了TVS二极管开始主动导电以限制瞬态事件的反向电压。当更多电流流过二极管时，二极管两端的电压将根据其动态电阻（RDYN）而上升。在瞬态事件期间，数安培范围内的电流被迫流过保护器件。通过RDYN的瞬态电流将导致TVS二极管上的电压降逐渐上升。在额定浪涌电流（IPP）下，TVS二极管两端的电压降被定义为TVS的钳位电压（VCLAMP）。对于传统的TVS二极管，RDYN是固定的，而VCLAMP直接取决于电流水平（图5）。在指定的瞬态浪涌电流水平下，VCLAMP必须足够低，以保护所有下游组件。
图4 TVS二极管的关断、击穿和钳位电压
图5 传统TVS的电气模型
硅的物理特性、二极管的结面积和二极管的结温限制了TVS二极管的RDYN。即使在非常大的二极管面积下，8/20μs浪涌RDYN也可能达到数百毫欧姆。因此，TVS二极管通常具有相对于其VRWM高的VCLAMP，设计人员必须采取额外措施来设计一个稳定且可靠的系统。
为了防止在浪涌事件中系统发生故障，一种方法是对下游电路进行对应设计，使用能够承受高浪涌钳位电压的器件。尽管这可以产生一个稳定的系统，但会导致更高的系统成本、更高的功耗以及集成电路占用面积的增加。
第二种方法是选择具有更低RDYN的TVS二极管，但这会导致选择困难，例如更高的输入/输出(I/O)电容、更高的I/O泄漏和更大的TVS封装尺寸。或者是采用多颗TVS二极管进行并联处理，从而降低器件的导通电阻和钳位电压。但是这增加了PCB板的面积以及增加防护方案的成本。
湖南静芯的浪涌控制技术湖南静芯提供SurgeController浪涌控制器件（TDS）来帮助设计人员消除使用传统TVS二极管设计时所面临的挑战。图6是TDS器件的功能框图，其集成了电压感应电路、栅极驱动电路和额定浪涌场效应晶体管（FET）。电压感应电路确定钳位的触发电压（VBR）。当受保护端口的输入电压低于触发电压时，栅极驱动器和额定浪涌晶体管FET关闭，电路中没有有功电流流动。一旦输入电压（VIN）高于触发电压，栅极驱动器会被激活从而将内置的FET开启，以泄放此时VDD/IO引脚的电流，钳位VDD/IO引脚的电压持续上升。栅极驱动电路的设计使得调节回路能够保持VDD/IO引脚的VCLAMP非常接近VBR。由于内置的FET具有极低的导通电阻，即使更多的瞬态浪涌电流从受保护引脚流过器件时，VCLAMP依旧保持平缓。
图6 TDS功能框图
更详细地查看浪涌钳位的功能，VDD/IO引脚上的小电压变化（ΔVIN）通过电压感应电路和栅极驱动电路导致NG节点上的电压变化（ΔVNG）。
公式1定义了增益（AG）：
(1)
公式2定义了IN引脚的增益：
(2)
其中
是功率FET的增益，这是一个很高的值，因为主功率FET的尺寸很大。
由于AG和gm的值较高，因此总体增益AG非常高，VDD/IO引脚上的ΔVIN在触发后会导致较大的电流变化(ΔIIN)。通过这种方式，反馈机制将浪涌钳位器件的动态电阻控制在非常低的值，以此控制TDS的钳位电压约等于击穿电压。TDS的特性使其能够提供一种瞬态浪涌保护解决方案，具有相较于传统TVS二极管的独特优势。
TDS与传统TVS二极管：关键参数对比TDS是传统分立式TVS二极管的替代品，具有多种优势。
1.导通电阻RDYN和钳位电压导通电阻RDYN定义为器件触发后I-V曲线的斜率，其直接决定了器件钳位电压的幅值。RDYN越大，器件在额定浪涌电流范围内钳位电压上升越大。RDYN越小，器件在额定浪涌电流范围内钳位电压基本保持恒定。图7和图8比较了TDS与传统TVS二极管的RDYN和钳位电压。如前一节所述，由于TDS中的AG和gm的值非常大，公式3显示的RDYN可以接近零：
(3)
接近零的RDYN在浪涌事件的持续时间内提供精确、平缓的钳位电压。此外，TDS与TVS二极管不同，TDS采用IC技术来实现浪涌防护，不再依赖PN结来实现击穿和浪涌电流泄放，因此其实现的闭环调节可以保证TDS在不同温度下的额定功率和钳位电压的稳定性，并且能够进行工艺补偿。
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图7 TDS与传统TVS二极管的直流IIN-VIN曲线 | 图8 TDS与传统TVS 8/20µs波形图 |
由于TDS内置温度补偿，因此TDS器件的触发电压、钳位电压以及漏电流在整个工作温度范围内都具有强的稳定性。在浪涌事件中，TVS器件通过内部的PN结击穿并且泄放电流，导致其自身耗散功率高，温度上升，钳位电压上升，泄放能力下降。但是，TDS是通过内置额定场效应晶体管将浪涌电流转移至地，并且导通电阻低，自身耗散功率低，器件自身温度上升慢。
根据图9所示的钳位电压与温度的关系可以看出，传统的TVS二极管的钳位电压随温度上升而增加，对温度变化极为敏感，这严重限制了TVS二极管在高温等复杂环境下的应用。在笔记本电脑、USB-PD接口等应用领域中，设备长时间工作，温度上升是必然的。这必定会导致TVS二极管的钳位和泄放能力产生较大变化，存在安全隐患。TDS器件的钳位电压在-40℃~125℃的工作温度范围内保持平缓。该优异特性有效保护USB-PD、传感器等设备在恶劣环境中长时间工作。
图9 不同温度下的钳位电压
3.漏电由于TDS采用内置额定浪涌场效应晶体管泄放瞬态浪涌电流，其漏电流为皮安（pA）量级。相比于传统TVS二极管中PN结的微安（uA）级反向漏电流明显降低。当漏电流流过输入保护电阻、采样电阻或源阻抗时会产生显著的误差，尤其是对前端传感器信号读出电路的精度将产生严重误差。图10比较了传统TVS二极管相对于TDS系列的VRWM与最大漏电流。湖南静芯推出的TDS器件由于工艺变化小、稳定性高，因此可以在全工作电压以及全温度范围内保证低漏电，而传统TVS二极管难以保证漏电流小于1µA。在高温下，传统TVS二极管的漏电流甚至接近1mA，这会显著影响信号完整性并导致低功率系统的效率降低。
图12 TDS系列与传统TVS二极管的最大漏电流 vs. VRWM
4.功率与温度降额传统TVS二极管虽被设计成可以在广泛的温度范围内工作，但高温环境下或者TVS二极管自身热损耗上升情况下，仍需要考虑浪涌事件期间是否会超过TVS二极管的最大额定功率，避免器件产生热损坏。
图13显示了ESTVS3300DRVR和SMAJ33A在环境温度范围内8/20μs PPP的降额曲线，传统TVS二极管额定耗散功率随着环境温度的升高而急剧降低，其对温度变化非常敏感，这对于后端系统防护存在重大安全隐患。在TDS系列中，钳位电压的闭环调节可以保证器件在不同温度下的额定功率的稳定性。这意味着与传统TVS二极管相比，温度的降额非常小，从而有效保证整体系统的可靠性。综上所述，在防护系统设计时一定要考虑器件额定功率与温度的关系，以避免系统在不同温度下工作时造成损坏。
图13 TDS与传统TVS的温度降额曲线
5.可靠性任何新型浪涌防护技术替代传统TVS浪涌保护方案时，一个重点关注的点是器件的可靠性。由于瞬态浪涌能量在短时间聚集流过器件，并且经历多次冲击保护器件必定会使得器件自身过热，从而可能会导致器件的击穿特性、钳位电压和导通电阻等特性产生变化，甚至会导致器件的热击穿。为了测试这种情况，对ESTVS3300DRVR进行了4,000次重复的30A 8/20μs浪涌脉冲测试，脉冲之间间隔小于15秒，环境温度为125℃。图14显示了每4,000个脉冲后的VCLAMP、IPP和漏电情况。最终的测试结果表明，TDS器件即使在完整的耐久性测试后，VCLAMP和漏电流也没有任何偏移。
图14 ESTVS3300DRVR 8/20μs脉冲4000次
6.电容为了防止不必要的信号失真，保护方案应尽可能对被受保护系统不产生任何影响。但是，TVS二极管或者保护电路一定都具有影响系统性能的固有电容，因此电容越低，保护方案对信号完整性产生负面影响的可能性就越小。图15显示了TDS系列与TVS器件在不同工作电压下的电容值。分立式TVS二极管在较低工作电压下可能会引入显著的电容。而TDS引入的电容显著低于传统TVS二极管。低电容有助于减少信号衰减和失真，从而保证数据传输的完整性和一致性。
图15 TDS与传统TVS二极管的电容对比图
7.封装尺寸和热管理由于TDS技术的钳位效率高，在浪涌事件中，与传统TVS二极管解决方案相比，TDS自身耗散的功率远低于传统TVS器件，自身发热更低。考虑一个30A 8/20μs的浪涌脉冲，使用ESTVS3300DRVR器件，峰值脉冲功率（PPP）为38V*30A=1140W；对于一个类似的TVS二极管，在小外形二极管SOD-123封装中，PPP为54V*30A=1620W，相比于TDS器件增加了40%。考虑到这一点，从图16中可以看出，TDS的2mm×2mm×0.68mm 6引脚封装比传统TVS二极管的SOD-123封装缩小60%，有效降低PCB面积，并且兼顾防护性能。
图16 封装尺寸对比
考虑到TDS器件具有较低的耗散功耗，因此TDS器件可以放置在更小的封装中。但TDS是如何实现约60%的减少呢？首先TDS放置在紧凑的封装中来实现这一点，这样可以降低器件面积而不影响热性能。为了更好地理解为什么封装不会损害TDS器件的性能（以及封装在浪涌钳位器件中的一般作用），让我们引入材料的热扩散长度（Lθ）概念。Lθ描述了热能在材料中传播的距离，如等式（4）所示。
(4)
其中,Dθ≈0.5cm²/s（对于硅）。
在8/20us IEC 61000-4-5事件中，热扩散长度约为32um。由于32um远小于典型硅芯片的厚度（约120um-280um，见图17），因此来自8/20μs浪涌脉冲的所有热能都已经在硅芯片内部消散，热能并不会传导到封装。此时，封装尺寸和热特性与非重复性8/20us浪涌事件中的功率耗散无关。综上，TDS器件可以放置在紧凑型封装中，以此来降低面积。
图17 带有铜散热片的封装芯片插图
在10/1000µs浪涌事件期间，热扩散长度约为224µm，接近典型硅芯片的厚度。对于10/1000µs浪涌事件，热量可以开始达到硅与封装的边界，封装的热阻开始在浪涌性能中发挥作用。
设计示例1–40V与60V系统设计作为TDS如何改善系统设计的示例，让我们看看在通用工业系统中由于传统TVS二极管较差的钳位性能所面临的设计困难。假设该系统需要支持33V的正常工作电压。为了使用标准TVS二极管保护该系统，设计者必须选择一个在整个温度范围内VRWM大于33V的器件，以考虑温度变化情况。许多传统TVS二极管仅在25℃时规范VBR、漏电流以及钳位电压。但是随着温度升高，传统TVS二极管的击穿电压会明显升高，漏电流也会增加，钳位电压升高，这会使保护方案设计变得更加困难，因为VBR通常在-40℃时最低。为了在-40℃支持33V，您需要选择一个VBR接近39V的TVS。典型的SMF系列TVS在IPP=30A时的浪涌VCLAMP约为55V。浪涌保护二极管下游的组件必须额定高于VCLAMP(>55V)，以避免在浪涌事件期间造成任何损坏，从而增加系统成本和复杂性。如果仅仅考虑25℃时的器件特性，这对于整个系统的浪涌防护将会存在极大的安全隐患。
现在考虑ESTVS3300DRVR应用于相同的33V系统设计。当IPP=30A时，ESTVS3300DRVR会将受保护的总线钳制到39V。钳位电压的闭环调节确保在整个浪涌泄放过程中和温度下的电压变化最小。设计者将受保护的组件设计为较低的电压容差，这意味着器件的变化更小，组件尺寸更小，相应的系统成本更低。因此在防护方案设计时不应该过多强调防护器件本身的成本，更要考虑整体系统的成本以及可靠性。
设计示例2–4-20mA工业网络中的节点第二个示例是一个应用程序，位于4-20mA回路工业网络中。工厂自动化终端或发射器节点需要保护多个下游组件，包括多路复用器、模数转换器（ADC）、4-20mA收发器和LDO稳压器。不幸的是，大多数集成电路的资料通常不提供瞬态电压抗扰度等级，这使得选择合适的组件以稳定地保护您的系统变得具有挑战性。为了理解TDS器件在系统保护中的技术优势，根据4-20mA电流环路发射器参考设计，比较传统分立TVS二极管的浪涌保护实施与使用TDS器件的实施。
图18 4-20mA电流回路变压器示意图
图18是参考设计的原理图，目前使用SM6T39CA进行浪涌保护。在这个传统TVS二极管的输出端有额外的二极管和一个BJT，以保护LDO免受更高电压的影响。TVS下游受保护的部件包括LDO（TPS7A1601-U1）、由4-20mA控制的BJT、数模转换器（DAC）、反向极性保护中的二极管和输入电容器（C3）。这些器件中的每一个的耐压值都必须高于浪涌保护TVS二极管的最大钳位电压，以防止系统损坏。对于IPP=35A 8/20μs浪涌事件，SM6T39CA预计将在50V左右钳位。在同一应用中，ESTVS3300DRVR将在39V钳位，并且可以实现更小更便宜的系统解决方案，并且完全保证了系统在整个工作温度范围内的可靠性。
结论湖南静芯TDS系列SurgeController浪涌控制器为设计人员提供了优化系统电压、尺寸和成本的新选择。该技术能够转移瞬态浪涌电流，同时提供精确、平缓且不受温度影响的钳位电压，从而最大限度地减少受保护系统的残余电压。这使得受保护的下游组件在电压容差上的考虑不再紧张，从而显著节省了空间和成本。该保护解决方案的尺寸相比于传统分立TVS二极管缩小60%，并且具有更低的电容和漏电流，因此新应用在更小外形尺寸上的可能性也随之增加。
TDS器件的钳位性能优异、温度特性稳定，在汽车和工业控制领域将会有极大的应用前景和市场。湖南静芯同时推出5V、14V、18V、22V、27V、33V、40V、45V、58V等各种电压的SurgeController浪涌控制器（TDS），可为系统提供更全面以及更可靠的保护，欢迎客户前来咨询选购。
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