静电、浪涌与TVS：从测试标准到选型指南，一篇搞定电路防护

在电子工程领域，ESD（静电放电）和浪涌问题堪称基带工程师的"头号噩梦"。这些问题测试标准严苛，现象难以捕捉，特别是ESD故障，往往没有标准解决路径，只能依靠工程师反复构思方案并验证。

要想最大限度地避免这些问题，选择合适的防护器件并在设计阶段做好充分防护措施至关重要。本文将详细介绍ESD和浪涌的测试标准、测试方法，以及如何选择关键的TVS防护器件。

什么是TVS管

TVS管（瞬态电压抑制二极管）是一种高效的电路保护器件，能在极短时间内（皮秒至纳秒级别）响应过电压冲击，将高压干扰导向地线，从而保护精密电子元件。

根据防护能力的不同，TVS管主要分为两类：

• 小功率TVS管：主要用于防护ESD（静电放电），通常称为ESD保护管
• 大功率TVS管：主要用于防护浪涌（电流冲击），通常称为浪涌保护管

它们就像是电路的"安全阀"，在正常电压下保持高阻态几乎不耗电，而在异常高压出现时瞬间变为低阻态，将危险电压泄放到地。

TVS管测试标准详解

TVS器件规格书上常见的测试标准有：

IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——静电测试标准，必须通过IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分厂家提供数据IEC61000-4-5（8/20us）——浪涌测试标准，必须通过

1.IEC61000-4-2 ESD防护标准

这是静电放电抗干扰度试验标准，对应国标GB/T 17626.2-2018。理解这个标准，首先需要了解放电枪的工作原理。

测试原理：

使用专门的静电枪，通过330欧姆的电阻和150pF的电容模拟人体放电模型。

关键参数：

以4kV接触放电为例，静电枪释放的波形要求为：上升时间0.8ns内达到15A峰值电流，30ns时电流降至8A，60ns时降至4A。

规律：

静电电压越高，电流要求也成正比增加，但上升时间要求相同。虽然静电电压高、电流大，但持续时间极短，因此总能量其实很低。

ESD测试对环境有明确要求：

环境温度15℃-35℃，相对湿度30%-60%，大气压86kPa-106Kpa。在测试点的选择上，只有金属部位才适合做接触放电，绝缘部位则无此必要。

2.IEC61000-4-4防护标准

这是电快速瞬变脉冲群抗干扰度试验标准，对应国标GB-T17626.4。该脉冲发生器的输出阻抗为50Ω，对单个脉冲和群脉冲都有明确规范。

规格书中常见的"5/50ns，40A"通过标准，意味着波形需符合规定的时间要求，而电压幅度最高值是通过40A电流时的电压值。值得注意的是，目前许多厂家已不再进行此项测试。金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

3. IEC61000-4-5瞬态电压防护标准

这是浪涌测试标准，对应国标GB T17626.5-2008。标准详细规定了10/70us组合波发生器和1.2/50us组合波发生器的技术要求。在消费电子领域，主要使用1.2/50us组合波。

这里的"1.2/50us"是对浪涌测试仪电压放电的要求，而"8/20us"则是对电流放电的要求。浪涌测试仪在开路情况下应输出波前电压1.2us、电压半峰值时间50us的波形；在短路情况下应输出波前电流8us、电流半峰值时间20us的波形。开路输出电压与短路输出电流的比值即为浪涌测试仪内阻，标准要求为2Ω。

消费电子领域常用的浪涌设备耦合/去耦合网络，通常将浪涌注入设备供电线中，而去耦合网络则用于保护供电设备。手机项目中多选用二极管耦合/去耦合方式，普锐马TVS8/20TC是常用的测试仪器。

TLP测试的重要性

传输线脉冲测试（Transmission Line Pulse）使用100ns脉宽的方波，测量不同电压幅度下的电流值，直至管子损坏。100ns的脉宽远大于IEC61000-4-2规定的静电波形1ns，这使得TLP测试能更全面地考验ESD管性能，更真实地反映ESD管的钳位能力。

当两个ESD管都能通过接触±8kV静电测试时，如何选择？此时应比较ESD管的钳位电压，选择较低者。如果仍难以抉择，可通过TLP测量I-V曲线，对比相同电流下的钳位电压，较低者性能更优。

实测波形分析

实际测试中，一个优质的ESD管能够将8kV的接触放电电压钳位至30V左右，表现令人印象深刻。这种高效的电压钳位能力，正是保护敏感电子元件的关键。

浪涌管的实测波形同样能直观展示其防护性能。通过分析波形，工程师可以准确评估器件在实际工作中的表现，为选型提供可靠依据。

TVS管关键技术指标解析

Ipp：

最大反向峰值电流，按照IEC61000-4-5标准、8/20us电流波形、电容/电感去耦合网络测试得出。此值越大，TVS管性能越优秀。

Vc@Ipp：

钳位电压，达到最大电流Ipp时的钳位电压值。此值越小越好，意味着防护效果更佳。

Vrwm：

最大反向工作电压，被保护信号正常工作电压不应超过此值。实际上是TVS管反向漏电流为1uA时的电压值，超过此电压，反向电流会迅速增加。TVS型号上的数字通常代表此电压。

Vbr：

反向击穿电压，二极管反向电流达到1mA时的电压值。超过此值，反向电流急剧增加。

Cj：

结电容，通常为pF级别。用于高速信号线（如USB2.0的D+和D-）时，结电容应小于1pF。

Pppm：

按IEC 61000-4-5标准测试的最大Ipp乘以此时的钳位电压Vc。浪涌管选型时，不能仅看此值，还需关注钳位电压具体数值。

ESD管与浪涌管选型指南

1.确定最低工作电压要求

Vrwm不得小于被保护信号的工作电压。从减少漏电角度考虑，Vrwm比信号工作电压越大，漏电流越小。看似微小的1uA漏电流，对于待机电流仅nA级别的器件而言已相当可观。

2.确认防护等级

从保护强度角度考虑，Vrwm越接近信号工作电压，管子的钳位电压Vc越低，对信号的保护效果越好。

3.比较钳位性能

ESD管和浪涌管的静电防护等级必须高于产品本身要求的防护等级。其静电钳位电压和浪涌钳位电压越低越好。

4.计算功率要求

浪涌管的钳位电压必须小于被保护电路的最大额定值。关于浪涌管的功率要求：假设需要通过300V浪涌，要求钳位电压在20V以内，考虑到浪涌测试仪内阻为2ohm，最大输出电流为(300V-20V)/2ohm=140A，则应选择功率在140A*20V=2800W以上的管子。若钳位电压低于20V，对功率的要求可相应降低。

管子的保护性能主要与钳位电压相关，而非Ipp等参数。简而言之，选型顺序应为：先确定Vrwm，再看Vc，最后考虑功率要求，这一流程并不复杂。

结语

TVS管的正确选择和应用的确能显著提高电子产品的可靠性和抗干扰能力。通过理解测试标准、技术参数和选型要点，工程师可以在设计阶段就做好充分防护，避免后期解决问题的痛苦过程。记住，良好的电路防护设计不是增加成本，而是为产品的可靠性和品牌声誉投保。