静电、浪涌与TVS

ESD和浪涌问题往往是基带工程师最头疼的问题，因为测试标准严苛，问题神出鬼没。特别是ESD问题，没有解决问题的标准路径，只能靠反复地构思方案并验证。
想要尽量避免以上问题，就必须选择合适的防护器件，设计上做足防护措施。本文告诉你ESD和浪涌的测试标准，测试方法，以及如何选择TVS器件。

1 TVS管测试标准

这里说的TVS管包括防ESD用的小功率TVS管（本文简称ESD管）和防浪涌用的大功率TVS管（本文简称浪涌管）。
这里说的测试标准指TVS器件规格书上标明的测试标准：
IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——静电测试标准，必须通过，提供测试数据
IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分厂家才会提供数据
IEC61000-4-5（8/20us）——浪涌测试标准，必须通过，提供测试数据
下面是安森美ESD5481MUT5G，用在一般信号线上的ESD管规格书提供的信息，人家一个小管子，完成了三个标准的测试。怪不得菊花厂很喜欢用。

1.1 IEC61000-4-2 ESD Protection

这个是静电放电抗干扰度试验标准，对应国标GB/T 17626.2-2018。先看一下放电抢的原理框图：

Cd是放电枪和周围环境的分布电容；
Cd+Cs的典型值为150pF；
Rd典型值是330Ω；
以4KV接触放电为例，下图显示了静电枪释放出来的波形，第一个峰值电流要求15A，上升时间tr=0.8ns，30ns处的电流8A，60ns处的电流4A。其他等级的ESD参数详见标准，有个规律，电流的增加随电压要求成正比增加，tr的要求是一样的。可见静电的电压很高，电流也很高，但是时间非常短，所以能量很低。

ESD的测试环境是：
环境温度15℃-35℃
相对湿度30%-60%
大气压86kPa-106Kpa
静电的注入点要注意，有金属的地方，才适合做接触放电，如果是绝缘的，没必要做接触放电。
推荐一个仪器型号：普锐马 ESD61002TB，大家都在用。

1.2 IEC61000-4-4 Protection

电快速瞬变脉冲群抗干扰度试验，对应国标GB-T17626.4。这个脉冲发生器的结构如下，输出阻抗是50Ω。

单个脉冲和群脉冲要求如下：

规格书中会给出5/50ns, 40A的通过标准，意思是波形符合上面时间要求，电压幅度最高值是通过40A电流是的电压值。现在很多厂家都不做这个测试了。

1.3 IEC61000-4-5 Transient Voltage Protection

这个是浪涌测试标准，对应国标GB T17626.5-2008。标准规定了10/70us组合波发生器，1.2/50us组合波发生器的详细要求。这个“组合波发生器”就是浪涌测试仪。
在消费类电子领域，我们主要用到1.2/50us组合波。这个“1.2/50us”是对浪涌测试仪的电压放电要求，标题中的“8/20us”是对浪涌测试仪的电流放电要求，下文会详细解释。
下图是浪涌测试仪的内部原理，在没有负载（开路）情况下，浪涌测试仪应该要输出波前电压1.2us，电压半峰值时间50us。在输出短路情况下，应能输出波前电流8us，电流半峰值时间20us。开路输出电压与短路输出电流的比值成为浪涌测试仪内阻，要求是2Ω。

下面是1.2/50us电压波形和8/20us电流波形规定，特别注意，这些都是仪器不连接被测设备，并且没有耦合/去耦合网络时的波形要求。

如果连接了被测设备，标准上没有波形要求。
如果连接的去耦合网络，波形的过充和下冲也会受到影响，标准没有限制。
下面是消费类电子领域经常用的浪涌设备的耦合/去耦合网络原理图，浪涌是注入到设备的供电线中的，去耦合网络是为了保护供电设备不受破坏。手机项目中一般选用二极管耦合/去耦合。

推荐一个型号：普锐马TVS8/20TC

2 TLP测试

Transmission Line Pulse测试，用100ns脉宽的方波，测量不同电压幅度下的电流值，电压值一直增加到管子损坏为止。100ns比IEC61000-4-2规定的静电波形1ns大得多，这更能考验ESD管的性能，也更能反应ESD管的钳位能力，下图是浪涌测试和TLP测试的比较，明显TLP的能量更大。

当我们看到两个ESD管都能通过接触±8kV静电测试的时候，我们该如何去选择呢，这个时候我们要看ESD的管的钳位电压那个更低，如果都差不多，就再用TLP测量出I-V曲线，如下图，对比同样电流下的钳位电压，低的那个就是最好的。

3 ESD管接触放电实测波形

一个ESD管的接触±8kV实测波形，可以看到ESD管可以把8kV的电压钳位到30V左右，还是很厉害的。

4 浪涌管实测波形

5 TVS管的技术指标

Ipp：最大反向峰值电流，就是按照按照IEC61000-4-5标准，8/20us电流波形，电容/电感去耦合网络测试的。这个值越大，TVS管性能越好。

Vc@Ipp：钳位电压，达到最大电流Ipp时，钳位电压值。这个值，越小越好

Vrwm：最大反向工作电压，被保护的信号，其正常工作时的电压不能超过这个电压。其实这个电压是TVS管反向漏电流为1uA时的电压值，如果电压再大，反向电流会很快增加。TVS型号上的数字就是这个电压。

Vbr：反向击穿电压，二极管反向电流达到1mA时的电压值。当反向电压超过这个值时，反向电流会急剧增加。

Cj：结电容，一般是pF级别，用在高速信号线上时，比如USB2.0的D+和D-，结电容要小于1pF。

Pppm：按照IEC 61000-4-5标准测试出来的最大Ipp乘以此时的钳位电压Vc。浪涌管选型，不要只看这个值，更要看钳位电压是多少。

6 ESD管和浪涌管选型

Vrwm不得小于被保护信号的工作电压。
从减少漏电的角度考虑，Vrwm比被保护信号的工作电压越大，漏电流越小。不要小看1uA的漏电流，很多器件的待机电流都是nA级别的哦。
从保护强度的角度考虑，Vrwm越接近信号工作电压，管子的钳位电压Vc越低，对信号的保护作用越好。
ESD管和浪涌管的静电防护等级要大于产品本身要求的防护等级。
ESD管和浪涌管的的静电钳位电压，浪涌钳位电压越低越好。
浪涌管的钳位电压要小于被保护电路的maximal rating.
浪涌管的功率要求：假设要通过300V浪涌，要求钳位电压是20V以内，因为浪涌测试仪的内阻是2ohm，所以最大输出电流是(300V-20V)/2ohm=140A，则要选择管子功率在140A*20V=2800W以上。当然，如果这个浪涌管的钳位电压小于20V，对功率的要求还能低一些。
管子的保护性能，主要跟钳位电压有关，不要看Ipp之类的参数。

简言之，先看Vrwm，再看Vc，在看功率，没什么难的。

7 我用过的TVS管

品牌	型号	特点	用途

ST	ESDA7P60	5V,700W,10V@60A	VBAT上防浪涌
WILLSEMI	ESD56101D05	5V,1250W, 80A@12.5V	同上
LRC	LTVS16D18H5.0T5G	5V,1500W,80A@17V	同上
ON	ESD8472M	5V,3A@14V,0.2pF	USB的D+和D-防护
WILLSEMI	ESD5311Z	5V,4A@21V,0.25pF	同上
LRC	LESD11LL5.0CT	5V,4A@20V,0.25pF	同上
ON	ESD5481M	5V,2A@12.4V,12pF	普通信号防护
WILLSEMI	ESD5451Z	—	同上
NXP	PESD5V0LS-SFYL	—	同上
LRC	LESD11D5.0CT	—	同上
WILLSEMI	ESD5641D12	12V,4000W,190A@18V	USB Vbus防护
LRC	LTVS20H12E	—	同上
Prisemi	PTVSHC3N12VU	—	同上
NXP	PTVS12VU1UPA	—	同上
NXP	PESD18VF1BLYL	18V,1A@17V,0.35pF	SmartPA MAX98927输出
Littelfuse	15KPA系列	17-280V,15000W	28V DC电源线保护，超大功率，高可靠性，航电产品用。
BOURNS	SMBJ系列	5-495V,600W	普通信号，大功率防护，高可靠性，航电产品用。
BOURNS	CDDFN10-3304N	3.3V,450W,20A@20V	以太网信号，变压器后边

8 大厂浪涌测试标准

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