在电子电路设计中，为了保护电路、系统和系统用户，电气快速瞬变 (EFT) 电压是设计人员必须着重考虑的现实问题。EFT 的来源众多，常见的如简单动作（例如在地毯上行走）引起的静电放电 (ESD)、电机启动或者雷击等。这些瞬变会对从低压电池供电的可穿戴设备到高功率电机系统等各类产品产生不利影响，其造成的影响包括暂时中断运行和无法运行，乃至长期性能下降以及彻底的性损坏和故障。
为了减少电压瞬变，设计人员可以采取一些措施，例如使用防静电外壳、滤波、在源头钳制电压或者进行外加接地，但这些措施往往需要根据具体的应用场景进行修改或升级。而被称为瞬态电压抑制 (TVS) 二极管的双端无源元器件，则能可靠地限度减少或消除瞬态电压的有害影响。TVS 二极管通常被视为开路，但当瞬态事件发生时，它们几乎能够瞬间做出反应，并造成类似于短路的效果，从而将瞬态过压转移到大地。TVS 二极管具有响应速度快、耐高压、寿命长、电容低等特点。
如图 1 所示，在运算放大器等敏感器件的输入端并联 TVS 二极管，可在纳秒级时间内响应静电放电事件，将过压钳制到安全水平，避免内部电路受损。该电路展示了 TVS 二极管在模拟信号链路中的典型应用方式。
防静电手环是 ESD 防护的基础措施之一，用于将人体静电安全泄放至大地，减少人体接触引起的静电放电风险，是电子制造和维修环境中的必备防护工具。然而，仅靠外部防护措施不足以保护精密电子元件，仍需在电路层面部署 TVS 等保护器件。
为了降低 EFT 的风险，国际电工委员会 (IEC) 在 IEC 61000 - 4（“电磁兼容性 (EMC)：测试和测量技术”）中规定了三种国际公认的过压保护标准。这些标准为电子设备在不同电磁环境下的抗扰度测试提供了统一的评估方法和量化指标，是 TVS 二极管选型和系统防护设计的根本依据。理解这些标准的波形特征、能量等级和测试方法，对于正确选择 TVS 器件的电压、电流和响应速度参数至关重要。以下将分别介绍 IEC 61000 - 4 - 2（静电放电）、IEC 61000 - 4 - 5（浪涌抗扰度）和 IEC 61000 - 4 - 4（电快速瞬变脉冲群）三项标准的技术要求和测试等级。
IEC 61000 - 4 - 2 系统级 ESD 抗扰度
IEC 61000 - 4 - 2 是国际电工委员会制定的系统级静电放电抗扰度测试标准，专门评估电子设备在人体接触或接近时遭受静电放电时的抗扰能力。该标准模拟了日常生活中常见的 ESD 场景 —— 人体在干燥环境中积累静电后接触电子设备。对于此波形，上升时间 (tr) 很短，介于 0.7 到 1 ns 之间，大部分能量在前 30 ns 以内耗散，然后迅速衰减。由于 ESD 事件的上升沿极陡、能量释放极快，因此需要采用超快反应式过压保护措施，以便在纳秒级时间内响应 ESD 事件，防止瞬态高压穿透至内部敏感电路。TVS 二极管正是凭借其皮秒至纳秒级的响应速度，成为应对此类威胁的器件。
如图 3 所示，根据 IEC 61000 - 4 - 2 标准，由人体接触引起的典型 ESD 脉冲波形表明，上升时间非常短，不到 1 ns，大部分能量在前 30 ns 以内耗散，要求保护器件具有极快的响应速度。该波形的峰值电流可达 30 A 以上，对保护器件的瞬态电流处理能力提出了极高要求。
此波形本身并未表明相关的电压水平。IEC 61000 - 4 - 2 规定了各种设备在接触放电和空气放电时的系统级 ESD 抗扰度测试电压。接触放电模拟人体直接触碰设备金属部分，空气放电模拟人体靠近但未接触设备时的电弧放电。两种模式的测试电压等级不同，设计人员需根据产品的实际使用环境和用户交互方式，选择相应的防护等级。
IEC 61000 - 4 - 2 等级接触放电空气放电
1 级2 kV2 kV
2 级4 kV4 kV
3 级6 kV8 kV
4 级8 kV15 kV
如表 1 所示，IEC 61000 - 4 - 2 空气放电和接触放电等级进一步明确了人体接触的具体要求。应当根据应用中所需的 ESD 防护等级，选择适当的 TVS 二极管。请注意，当根据 IEC 61000 - 4 - 2 标准进行测试时，Eaton 的所有 TVS 二极管都能够至少达到 4 级性能。还有其他具有更高 ESD 耐受能力的选择，能够承受高达 30 kV 的空气放电和接触放电电压。对于消费电子和工业控制应用，通常要求达到 3 级或 4 级防护；对于医疗设备和汽车电子，往往要求更高的防护等级。
如图 4 所示，不同接口 IC 的 ESD 防护能力差异显著，TVS 二极管的选择需匹配系统所需的防护等级，确保在接触放电和空气放电模式下均能提供可靠保护。工业通信接口通常需要 ±15 kV 以上的接触放电防护，因此常需外接 TVS 阵列进行增强保护。
IEC 61000 - 4 - 5 电涌抗扰度
IEC 61000 - 4 - 5 是专门针对电涌（Surge）抗扰度的测试标准，主要模拟雷击或电力系统开关操作产生的高能量瞬态过压。与功率相对较低的静电不同，雷击可能携带高达 1 GJ 的能量，并产生高达 120 kV 的浪涌电压。当雷击直接击中户外电路并产生浪涌电压、雷击间接导致导体中产生浪涌电压或者雷击接地电流流动时，都可能引发瞬变。此类浪涌的持续时间较长（微秒至毫秒级），能量远高于 ESD，因此需要 TVS 二极管具备更高的峰值脉冲功率和电流耗散能力。请注意，尽管 TVS ESD 抑制器不能用来防御直接雷击，但仍需要使用它们，因为雷击引发的瞬变可能会在整个配电系统中蔓延到 1 英里外甚至更远，对终端电子设备构成持续威胁。
如图 5 所示，雷击浪涌保护系统由避雷针和浪涌保护器（SPD）组成，TVS 二极管用于防止雷击引起的瞬态过压通过配电系统蔓延至电子设备，是系统级浪涌防护的重要组成部分。在建筑物配电系统中，TVS 通常作为末级精细保护，与避雷针和二级 SPD 配合使用。
如图 6 所示，这是 IEC 61000 - 4 - 5 定义的雷击脉冲波形（IPP 是峰值电流）。该波形的前沿时间 T1 = 8 μs，半值时间 T2 = 20 μs，是浪涌抗扰度测试的标准波形。该波形的能量远高于 ESD 脉冲，要求 TVS 二极管具有更大的芯片面积和更强的散热能力。
如图 7 所示，示波器实测的 8/20 μs 浪涌脉冲波形直观展示了雷击浪涌的瞬态特性，峰值电压可达数十至数百伏，TVS 二极管必须能够在微秒级时间内吸收此类能量。实测波形与标准定义高度吻合，验证了测试设备的标准符合性。
IEC 61000 - 4 - 5 标准还规定了各类电气 / 电子设备的浪涌抗扰度测试电压水平。电压水平由终端应用决定：1 类对应部分受保护的环境（如受控实验室）；2 类对应即使是短距离也实现了电缆妥善分离的电气环境（如办公区域）；3 类对应电力线和信号线并行布设的电气环境（如工业现场）；4 类对应互连电缆的布线方式像室外电缆一样与电力线混在一起，而且电缆同时用于电子和电气回路（如户外基础设施）。不同类别决定了设备需要承受的浪涌电压和电流等级。
分类电压水平 (kV)2 Ω 时的峰值电流 (A)
10.5250
21500
321,000
442,000
X定制定制
如表 2 所示，IEC 61000 - 4 - 5 为电涌抗扰度规定了四个测试级别及定制级别，从 0.5 kV/250 A 到 4 kV/2,000 A，覆盖了从部分受保护环境到室外电缆混布环境的各类应用场景。对于工业自动化和户外通信设备，通常需要满足 3 级或 4 级测试；对于家用电器，2 级通常已足够。TVS 二极管的峰值脉冲电流 (Ipp) 和峰值脉冲功率必须大于对应等级的测试要求，并留有适当的设计裕度。
IEC 61000 - 4 - 4 电气快速瞬变 (EFT) 保护
IEC 61000 - 4 - 4 涉及针对电快速瞬变脉冲群（EFT/Burst）的保护。EFT 是由感性负载（例如配电系统中的重型电机、继电器、开关接触器）的运行以及功率因数校正设备的接通或断开引起的。与单次高能量浪涌不同，EFT 表现为高频脉冲群，每个脉冲持续时间极短（纳秒级），但重复频率高（kHz 级），对数字电路和通信系统的干扰尤为严重。此类瞬变通过电源线和信号线耦合进入设备，可能导致微处理器复位、数据丢失或通信中断。TVS 二极管需要具备极低的电容和快速的响应速度，以有效抑制此类高频脉冲串对敏感电路的影响。
如图 8 所示，IEC 61000 - 4 - 4 标准描述的 EFT 脉冲群波形，单个脉冲上升时间 5 ns，脉冲持续时间 50 ns，以 5 kHz 或 100 kHz 的频率重复出现，形成持续 15 ms 的脉冲群，对数字电路和通信线路构成严重威胁。脉冲群之间间隔 300 ms，整个测试持续至少 1 分钟，考验保护器件的重复脉冲耐受能力。
如图 9 所示，EFT 的特征通常只体现为两对数字：它们达到峰值的上升时间 (t1) 和瞬变降到 50% 峰值前的脉冲持续时间 (t2)。5/50 ns 瞬变是工业应用中的一种常见脉冲，TVS 二极管需具备快速响应能力以有效抑制此类高频脉冲串。由于脉冲重复频率高，TVS 二极管还需具备良好的热稳定性和重复脉冲功率耐受能力。
请注意，EFT 的特征通常只体现为两对数字：它们达到峰值的上升时间 (t1) 和瞬变降到 50% 峰值前的脉冲持续时间 (t2)。8/20 ?s 瞬变是工业应用中的一种常见脉冲。在实际防护设计中，TVS 二极管通常与滤波电容、铁氧体磁珠等器件配合使用，以形成多级滤波和钳位网络，有效衰减 EFT 脉冲群的幅值和频率分量。
MIL - STD - 883 ESD 等级
MIL - STD - 883 是美国国防部制定的军用标准，其中第 3015 号方法专门规定了微电子器件的静电放电敏感度分类。该标准广泛应用于工业、军事和航空航天系统，对器件的抗 ESD 能力提出了更为严格的等级划分。与 IEC 系统级测试不同，MIL - STD - 883 主要关注器件级（Component Level）的 ESD 敏感度，即单个半导体器件在制造、运输和装配过程中能够承受的静电放电水平。对于高可靠性应用领域，如航空电子、卫星通信和军用装备，选择 TVS 二极管时必须确保其防护能力覆盖目标器件的 ESD 敏感度等级。
如图 10 所示，MIL - STD - 883 第 3015 号方法将 ESD 灵敏度分为 Class 0（<250 V）至 Class 3B（≥8000 V）多个等级，为工业、军事和航空航天系统的器件选型提供了严格的抗静电基准。Class 0 器件对静电极为敏感，在生产和处理过程中需要严格的 ESD 控制措施和强的 TVS 保护。
