在电子工程领域，浪涌保护一直是工程师们关注的重点。它并非简单地选择合适的电源板或拔下几根电缆，而是主要涉及在 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 布局中组件的常用器件，在浪涌保护方面发挥着重要作用。将其放置在数据线上，一旦电路接收到 ESD 脉冲，就能通过将电流从受保护组件转移开来，有效优化 PCB 布局的瞬态保护能力，防止电路板损坏，确保设备功能正常。
瞬态抑制二极管及其工作原理
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组件。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 半导体结构成，在正常情况下，TVS 二极管具有高阻抗和极低的漏电流，近乎开路。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，从而提供一条低阻抗路径，将过大的电流从受保护设备中导出。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，即便该脉冲上升时间相对较快。
PCB 设计选择合适的 TVS 二极管
虽然所有的 TVS 二极管本质上都是二极管，但并非所有的 TVS 二极管都完全相同。选择错误的保护措施，可能会导致瞬态保护从一开始就失效。在选择瞬态抑制二极管时，需要了解以下几个重要参数：
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。一旦导通，它会将 ESD 脉冲从受保护组件转移开。
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，该值定义在指定峰值电流的限制范围内。通常，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)：表示反向偏置电压限制，低于该限制 TVS 二极管将保持绝缘。在此范围内，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，这由峰值脉冲功率耗散来表示。
TVS 二极管的工作机制
所有 TVS 二极管的工作原理较为简单。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。将任何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 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 发生在信号线上且信号线上存在 TVS 二极管时，二极管将开始导通，脉冲可以通过二极管，从而将 ESD 脉冲从受保护电路转移开。典型的连接方式是将阳极接地，使 ESD 脉冲传到地里。只要接地区域存在低阻抗路径，脉冲就会从受保护组件转移开。
双向 TVS 二极管还是单向 TVS 二极管
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，一般所说的 TVS 二极管指单向型，若需要双向的则需特别说明。选择哪种类型的 TVS 二极管，取决于具体的电路需求。使用双向 TVS 二极管的主要原因是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，常能看到双向 TVS 二极管。大多数人更喜欢使用双向 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像要保护的信号线一样接受 ESD 脉冲。如果接地故障导致接地路径具有高阻抗，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 二极管即使存在接地故障，也有机会保护元器件.
TVS 二极管的 PCB 布局技巧
除了选择合适的 TVS 二极管外，保护的有效性还取决于 PCB 布局本身。在 PCB 布局中，应遵循以下重要准则，以确保 TVS 二极管正常工作：
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，因此将 TVS 二极管放置在这些导体暴露于外部环境的区域附近。此外，PCB 走线具有一定的寄生电感，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，以限度地降低阻抗，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：如果可能，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，安全的连接方式是将 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。若此连接不可用，则可连接到内部平面。但在存在强 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。连接器上的屏蔽主要是为了防止噪声接收和 ESD。如果存在 ESD 危险，可将屏蔽连接器与 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。在某些情况下，应避免通过缓冲电路或并联 RC 电路将屏蔽层接地，因为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，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组件。在控制返回电流遇到麻烦（如浮动接地）时，可在屏蔽层和接地层之间放置一个大电容，以分流快速 ESD 脉冲，避免因两个接地之间的偏移而从系统辐射高频噪声。
