TVS管与ESD保护二极管详解：原理、区别与应用选型
一、TVS管（瞬态电压抑制二极管）
1. 基本定义
TVS管（Transient Voltage Suppressor） 是一种用于抑制瞬态高压脉冲的半导体器件，通过雪崩击穿效应快速钳位电压，保护后端电路。
2. 核心特性参数
| 参数 | 定义 | 公式/示例 |
|---|---|---|
| 击穿电压（VBR） | TVS开始导通的电压（±5%精度） | 选型规则：VBR ≥ 1.2×工作电压 |
| 钳位电压（VC） | 流过IPP时的两端电压（关键防护指标） | VC = VBR + (IPP × Rdyn)（Rdyn：动态电阻） |
| 峰值脉冲电流（IPP） | 可承受的最大瞬态电流（如100A@8/20μs波形） | 需满足IPP > 预期浪涌电流 |
| 响应时间 | 从触发到钳位的延迟（ps~ns级） | TVS：<1ns；ESD二极管：<0.5ns |
3. 典型应用场景
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电源端口防护：如AC/DC输入端的雷击浪涌防护（10/700μs波形）。
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通信接口保护：RS485、CAN总线等长线传输的抗浪涌设计。
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工业设备：应对感性负载切换引起的电压尖峰（如继电器触点）。
二、ESD保护二极管
1. 基本定义
ESD保护二极管 是专门针对静电放电（ESD）设计的器件，用于释放人体放电模型（HBM）或机器放电模型（MM）产生的高压瞬态。
2. 核心特性参数
| 参数 | 定义 | 测试标准 |
|---|---|---|
| ESD防护等级 | 能承受的静电放电电压（如±30kV） | IEC 61000-4-2（接触放电8kV） |
| 电容（Cj） | 寄生电容（影响高速信号完整性） | USB3.0要求Cj < 0.5pF |
| 漏电流（IR） | 正常工作时的反向漏电流（nA级） | 5V应用需IR < 1μA |
3. 典型应用场景
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高速数据接口：USB、HDMI、DisplayPort等ESD防护。
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触摸按键：防止人体静电损坏敏感MCU引脚。
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移动设备：手机耳机孔、SIM卡槽等暴露端口的保护。
三、TVS管与ESD保护二极管的区别
1. 设计目标差异
| 对比项 | TVS管 | ESD保护二极管 |
|---|---|---|
| 主要防护对象 | 高能量瞬态（雷击、浪涌） | 低能量静电（HBM/MM模型） |
| 典型波形 | 8/20μs、10/1000μs浪涌 | 100ns ESD脉冲（如HBM 2kV） |
| 功率处理能力 | 数百瓦~千瓦级（如SMCJ系列达1500W） | 瓦级（如PESD5V0S1BT仅5W） |
2. 电气特性对比
| 参数 | TVS管 | ESD保护二极管 |
|---|---|---|
| 响应时间 | 1ns~5ns | 0.1ns~1ns |
| 寄生电容 | 几十pF~nF（不适用于高频） | 0.05pF~5pF（优化高速信号） |
| 封装尺寸 | 大封装（SMA、SMB）应对高功率 | 小封装（DFN1006、0201）节省空间 |
3. 选型要点总结
| 场景 | 推荐器件 | 理由 |
|---|---|---|
| 电源防雷击 | TVS管（如5KP系列） | 高IPP（50A+），耐10/700μs波形 |
| USB3.0接口 | ESD二极管（如PRTR5V0U2X） | Cj=0.3pF，支持5Gbps速率 |
| 工业RS485 | TVS+ESD组合（如SM712+PESD5V0） | 兼顾浪涌与静电防护 |
四、选型设计案例
案例1：以太网端口防护（RJ45）
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需求：防护±8kV接触放电（IEC61000-4-2）和1kV浪涌（IEC61000-4-5）。
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方案：
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TVS选型：SRV05-4（VBR=6V，IPP=5A，Cj=50pF）。
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布局要点：TVS靠近RJ45连接器，信号线先过TVS后接PHY芯片。
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案例2：手机USB-C接口ESD防护
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需求：支持USB3.1 10Gbps，防护±15kV ESD。
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方案：
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ESD选型：RCLAMP0524P（Cj=0.2pF，IEC61000-4-2 Level4）。
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布局要点：ESD器件距接口<3mm，差分对走线等长。
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五、主流厂商推荐
| 厂商 | TVS代表型号 | ESD代表型号 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Littelfuse | SMCJ系列（1500W） | SP3050（超低电容） | 高功率TVS专家 |
| ON Semi | 1.5KE系列（1500W） | ESD9X系列（多通道） | 性价比高 |
| STMicro | SMA6J系列（600W） | USBLC6-4（USB专用） | 汽车级认证 |
| Nexperia | PESD系列（0201封装） | IP4234（四通道） | 小封装集成化 |
六、总结
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TVS管：应对高能量、慢速瞬态（如雷击），选型关注VBR、IPP、VC。
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ESD二极管：防护低能量、快速静电（如人体放电），选型关注Cj、ESD等级。
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混合应用：对浪涌和静电均敏感的场景（如工业通信），可采用TVS+ESD组合方案。
设计箴言：
“TVS抗浪涌，ESD防静电；
高压看钳位，高速选电容。”
注：具体选型需结合数据手册实测验证，本文参数均为典型值参考。