如何选择ESD和TVS二极管：关键参数与应用场景解析

在电路设计中，ESD（静电放电）和TVS（瞬态电压抑制）二极管是保护敏感电子元件的关键器件。尽管两者功能类似，但其应用场景和性能特点存在显著差异。作为现场应用工程师（FAE），本文将从实际设计需求出发，系统梳理二者的选型要点。
一、明确保护需求：ESD与TVS的核心差异
ESD二极管
作用：专门应对静电放电（如人体放电模型HBM、机器模型MM），适用于高频、低能量的瞬时脉冲（典型值±8kV~±30kV，持续时间纳秒级）。
典型场景：USB/HDMI接口、触摸屏、传感器信号线等对静电敏感的低速信号电路。
TVS二极管
作用：抑制高能量瞬态电压（如雷击、电源浪涌、感性负载切换），可承受更大电流（数百安培）和更长的持续时间（微秒至毫秒级）。
典型场景：电源输入端口、电机驱动电路、通信基站等高压、大电流环境。
关键区别：
ESD二极管侧重“快速钳位”，响应时间更短（<1ns），但耐受能量低；
TVS二极管侧重“能量吸收”，通流能力更强，但响应时间稍慢（1ns~10ns）。
二、选型核心参数：四大维度
工作电压（VRWM）
选择原则：VRWM需略高于被保护电路的最高工作电压。例如，5V系统可选VRWM=5.5V的器件，避免正常运行时误触发。
钳位电压（VC）
目标：VC必须低于被保护器件的最大耐压值。例如，若MCU的IO口耐压为20V，则VC应≤18V（留20%裕量）。
峰值脉冲电流（IPP）
ESD二极管：关注IEC 61000-4-2标准下的8kV接触放电电流（典型值30A）。
TVS二极管：需根据实际浪涌等级（如IEC 61000-4-5的10/700μs波形）计算所需IPP，通常选IPP≥实际浪涌电流的1.2倍。
封装与功率
小尺寸场景（如手机）：优先选0402/0201封装的ESD二极管（如Nexperia PESD系列）。
高功率场景（如工业电源）：采用SMC/DO-214封装的TVS二极管（如Littelfuse SMAJ系列）。
三、典型应用场景与选型实例
USB 3.0接口保护
需求：防护±15kV ESD，信号速率5Gbps。
方案：选超低电容（<0.3pF）的ESD二极管（如ON Semiconductor ESD7004）。
24V直流电源输入保护
需求：抵御1.2/50μs雷击浪涌（6kV）。
方案：TVS二极管VRWM=24V，IPP=200A（如Bourns SMBJ24A）。
汽车CAN总线保护
需求：满足ISO 7637-2脉冲5（抛负载）测试。
方案：AEC-Q200认证TVS（如ST SM8S36A）。
四、常见误区与优化建议
误区：盲目追求低钳位电压，忽略功率耐受能力。
后果：器件在多次浪涌后失效。
改进：通过热仿真验证TVS的瞬态功率（Ppp=VC×IPP）是否在安全范围。
误区：忽略寄生电容对高速信号的影响。
后果：信号完整性下降（如USB 3.0信号抖动增加）。
改进：选择电容<0.5pF的ESD器件，或采用多通道阵列优化布局。
成本优化：对于低风险场景（如室内设备），可选用聚合物ESD（如Littelfuse PESD）替代传统二极管，降低成本30%以上。
综上
ESD与TVS二极管的选型需基于威胁类型（静电或浪涌）、电路特性（电压、速度）和环境需求（空间、成本）综合决策。建议通过以下步骤实现精准选型：
明确保护对象的电气参数和威胁等级；
根据VRWM和VC筛选器件；
验证IPP和封装是否符合设计约束；
通过实测或仿真确认防护效果。
通过系统化的参数匹配与应用场景分析，可显著提升电路可靠性并降低开发成本。