TVS二极管效能最佳化实作

暂态电压抑制（TVS）二极管是保护敏感电路元件不受ESD与EMI突波影响一个相当有效且低成本的选择，本文将提供能够把TVS二极管所提供突波保护效能最佳化的印刷电路板布线指南，此外，也将透过范例来描述采用TVS二极管时各种不同电路组态的优缺点与取捨考量。印刷电路板佈线指南
■位置
TVS元件应该要加到印刷电路板上输出入连接器的资料与电源连线上，尽可能将TVS元件安排在接近噪音源可以确保突波电压在脉冲耦合到相邻电路板走线前会先经过箝位处理，此外，电路板的TVS走线也应该要短，原因是较短的走线长度也就相当于较低的阻抗，可以确保突波能量会由TVS元件消耗而不是晶片内部的ESD保护电路。将较敏感的走线安排在印刷电路板的中央而非边缘是处理时保护免受ESD干扰的一个简单方法，（图一）提供了印刷电路板布线安排的范例。
　

（图一）　TVS二极管的箝位效能可以透过将元件安排在接近输出入连接点，并将连接TVS的走线长度缩短而提高。
　

■接地选择
如果可能，保护线路应该将突波电压并联到参考点或者是机壳的接地上，如（图二）所示。将突波电压直接并联到晶片的信号接地点会造成接地弹跳现象，在单一接地的印刷电路板上，TVS二极管的箝位效能可以透过利用相对较短且幅度较宽的接地走线将阻抗降到最低来加以改善。
　

（图二）　将TVS元件连接到机箱或电源接地点有助于避免噪音信号耦合到受保护晶片的信号接地。
　

■寄生电感
印刷电路板布局与晶片包装的寄生电感可能会造成TVS嵌位电压大幅过载，其中印刷电路板的电感可以透过使用较短的走线长度或具备独立接地与电源接面的多层板来加以降低，而包装所造成的电感则可以藉由选用小型化表面粘着式包装来加以解决。

■迴路区
幅射噪音与受射频信号影响的问题可以透过尽可能缩减由高速资料与接地线所形成的迴路区大小来降低，一个解决迴路区最小化问题的有效方法是在印刷电路板设计上加入接地面，特别是在走线长度相对较长时，虽然将TVS元件与晶片间的距离尽量加大可以提供隔离，但却可能增加回路区的面积大小，请参考（图三）。
　

（图三）　资料与接地走线可能会形成意外的天线功能，提高受射频信号影响与印刷电路板辐射噪音的可能。

元件选择指南
■突崩式TVS与二极管阵列比较
突崩式TVS二极管虽然拥有高突波规格，但相对较大的电容值使得这类元件成为负载切换开关与直流电源汇流排保护应用的较佳选择，相反地，二极管阵列适当的突波规格与较小的电容值则较适用于高速资料连接线的保护，突崩式TVS与二极管阵列通常可以交互使用，但部份电路在选择适合採用的元件时则需要经过仔细的分析。（图四）描述了当存在一个电流可以透过资料线流经二极管阵列路径时所发生的向后驱动问题，如果VDD2大于VDD1，那么资料连接线有可能意外地提供电源给模组1，这个情况可能会造成逻辑晶片的电源启动问题，或是在断电后模组1上指示灯被点亮的异常状况。
　

（图四）　突崩式TVS以及遮蔽二极管是消除可能存在于二极管阵列中向后驱动电流路径的两种选择。
　

■单向与双向突崩式TVS二极管
单向与双向突崩式TVS二极管不同的崩溃电压（breakdown voltage；VBR）可以为特定应用带来不同的优势，单向式元件拥有反向偏压崩溃电压VBR以及相等于二极管前向电压（VF）的前向偏压崩溃电压，另一方面，双向式元件的崩溃电压则等于±VBR，单向式二极管的低崩溃电压对负向突波电压来说，通常是直流电源线与单电源供电晶片的ㄧ个优势，相反地，双向元件的对称式崩溃电压则通常能够提供给差动式输入或输出放大器更好的杂讯处理效能，请参考（图五）。
　

（图五）　双向式元件可以将噪音信号嵌位到0V的平均电压，降低音频放大器中的交流哼声与直流杂音。
　

■外部与内部晶片保护电路的比较
理想的外加TVS元件应该能够吸收所有突波脉冲的能量，但是在实际上则不然，部分的突波电流能量可能会通过晶片内部的保护电路，一个限制电流流入内部保护电路的方法是使用一颗串接电阻，如（图六）。虽然内部保护电路在避免组装时发生ESD失效的表现上相当良好，但保护元件相对较小的尺寸则限制了它们承受正常产品使用情状下所发生突波信号的能力，另一方面，虽然二极管的突波处理能力与体积成正比，但通常在晶片中整合较大型的保护元件并不实际。
　

（图六）　电阻R会促使I1>>I2，确保大部分的突波能量会由外部二极管所吸收。