在电子电路设计中，浪涌保护是工程师们必须重视的环节。它并非简单地选择合适的电源板或拔下几根电缆，而是涉及在 PCB 布局中合理放置瞬态保护组件，并应用明确的接地策略。TVS 二极管作为保护 PCB 布局中组件的常用元件，在电路防护方面发挥着重要作用。它通常放置在数据线上，一旦电路接收到 ESD（静电放电）脉冲，就能将电流从受保护组件转移开来，从而优化 PCB 布局的瞬态保护能力，防止电路板损坏，确保设备正常运行。
瞬态电压抑制（TVS）二极管是一种专门用于保护设备免受与静电放电（ESD）相关瞬态事件影响的元件，需要注意的是，不要将其与齐纳二极管或肖特基二极管混淆。它由一个 pn 半导体结组成，在正常情况下，TVS 二极管具有高阻抗和极低的漏电流，相当于开路状态。
当瞬态电压抑制器上的电压上升超过其阈值电压时，半导体中的雪崩效应会使 pn 结开始导电，为过大的电流提供一条低阻抗路径，将其从受保护的设备中导出。TVS 二极管的响应时间极快，通常以皮秒为单位，能够迅速转移强 ESD 脉冲，即使该脉冲的上升时间相对较快。
虽然所有的 TVS 二极管本质上都是二极管，但不同的 TVS 二极管在性能上存在差异。如果选择错误的保护元件，可能会导致瞬态保护失效。在选择瞬态抑制二极管时，需要关注以下几个重要参数：
- 反向偏置击穿电压（VB）：这是 TVS 二极管开始导通时的反向偏置电压。当 TVS 二极管导通后，它会将 ESD 脉冲从受保护的组件转移开。
- 钳位电压（VC）：钳位电压是 TVS 二极管在超过反向偏置击穿后显著导通的电压，该值在指定峰值电流的限制范围内定义。一般来说，较低的 VC 值能为组件提供更好的保护，因此应选择 VC 小于受保护组件的输入电压限制。
- 额定关断电压（VWM）：它表示反向偏置电压限制，低于该限制时 TVS 二极管将保持绝缘状态。在额定关断电压内，TVS 二极管具有高阻抗，仅有少量泄漏电流。
- 峰值脉冲功率耗散（PPP）：TVS 二极管需要能够安全地耗散由瞬态电压引起的过大电流，这一能力由峰值脉冲功率耗散来衡量。
所有 TVS 二极管的工作原理都较为简单。当电路接收到 ESD 脉冲时，该脉冲会迅速超过二极管的反向偏置击穿电压值。任何将导体暴露于外部环境（如通过连接器）的设备，都可能在这些导体上接收到 ESD 脉冲。如果这些导体是通向组件的信号线的一部分，接收到的 ESD 脉冲会将高电压 / 高电流脉冲传输到组件中，可能导致组件损坏。
当 ESD 发生在信号线上且存在 TVS 二极管时，二极管会开始导通，使脉冲通过二极管。典型的连接方式是将阳极接地，这样 ESD 脉冲就会被引导至地。只要接地区域存在低阻抗路径，电流就会从受保护的组件转移开。
TVS 二极管分为双向和单向两种类型，它们具有不同的符号。在购买 TVS 二极管时，通常所说的 TVS 二极管指的是单向型，如果需要双向的 TVS 二极管，则需特别说明。
选择双向 TVS 二极管的主要原因是为了在电路承载正极性和负极性信号时提供保护。因此，在差分对或在正负极性之间振荡的模拟线路上，常常会看到双向 TVS 二极管的应用。大多数人更倾向于使用双向 TVS 二极管，以提供全面的故障保护和 ESD 保护。这是因为接地区域可以接受 ESD 脉冲，就像要保护的信号线一样。如果接地故障导致接地路径具有高阻抗，那么阻抗的路径可能是通过单向 TVS 二极管和要保护的组件。而双向 TVS 二极管即使在存在接地故障的情况下，仍有机会保护元器件。
除了选择合适的 TVS 二极管外，保护的有效性还与 PCB 布局密切相关。以下是一个 2 个双向 TVS 二极管并联连接到保护电路的示例，展示了 TVS 二极管与 MAX3485 收发器的典型连接：
在这个示例中，如果在 D + 和 D - 线路暴露于外部环境的位置发生 ESD，并产生相对于 GND 的正电压，只要 ESD 电压超过 TVS 反向偏置击穿电压，TVS 二极管就会开始导通。如果发生导致电流在 GND 平面中流动的 ESD，只要系统中存在低阻抗接地路径，电流就会完全从组件转移开。
在接地导体接收 ESD 的情况下，使用双向 TVS 二极管更为合适，因为它仍能提供一定的保护，而单向 TVS 二极管可能会使收发器暴露在某些电压下。双向 TVS 二极管的转移发生，是因为施加的脉冲需要上升到某个阈值（TVS 二极管上半部分的 VB 值）以上，才能从 GND 到迹线进行导通。
在 PCB 布局中，为了使 TVS 二极管正常工作，需要遵循以下重要准则：
- TVS 二极管的放置：由于 ESD 可能发生在电子设备中暴露的导体附近，因此应将 TVS 二极管放置在这些导体暴露于外部环境的区域附近。例如，在一个带有 2 针连接器的简单布局中，将 TVS 二极管放置在有接收 ESD 脉冲危险的裸露导体附近。此外，PCB 走线存在一定的寄生电感，可能导致 TVS 二极管的钳位电压增加到其指定限值以上。因此，TVS 二极管的走线应相对于收发器的走线较短，以降低阻抗，确保消散浪涌中的过多能量，减少通向 TVS 二极管路径中的寄生电感。
- 接地：如果条件允许，将 TVS 二极管连接到与受保护组件不同的接地网。这并不意味着要拆分地平面，而是将 TVS 二极管连接到机箱接地中的金属元件（如果可用），通常通过连接到机箱螺钉或安装孔的迹线进行连接。如果无法实现这种连接，则可以连接到内部平面。在存在强 ESD 风险的环境中，设备应封装在具有安全金属底盘接地和接地连接的底盘中。
- 消除屏蔽无源：某些组件（如屏蔽连接器）具有额外的金属屏蔽层，用于保护裸露的导体。连接器上的屏蔽层主要是为了防止噪声接收和 ESD。如果存在 ESD 危险，可以将屏蔽连接器与 TVS 二极管一起使用，TVS 二极管连接到信号线，连接器上的屏蔽层直接接地。
在机箱和信号接地之间放置直接连接时，典型的方法是将此连接放在系统中的一个位置，以确保所有导体上的接地电位均匀，并控制常规返回电流，使其不会通过机箱。只要 GND 是低阻抗、低电感接地层，这种方法都是适用的。如果这是系统的电隔离区域，将连接置于更靠近连接器主体的位置。
在某些情况下，有人可能会试图通过缓冲电路或并联 RC 电路将屏蔽层接地，但这会破坏使用屏蔽连接器的目的。相反，应在屏蔽和底盘接地（如果可用）或接地层之间建立直接连接，以创建一个极低阻抗的接地路径，防止 ESD 事件中的能量到达受保护的组件。在控制返回电流遇到困难（如浮动接地）的情况下，可以在屏蔽层和接地层之间放置一个大电容，这样既能分流快速 ESD 脉冲，又能避免由于两个接地之间的偏移而从系统辐射高频噪声。
综上所述，了解 TVS 二极管的保护原理，并掌握正确的 PCB 布局技巧，对于提高电子设备的抗干扰能力和可靠性至关重要。工程师们在设计过程中应充分考虑这些因素，以确保电路的稳定性和安全性。
