在 5G 通信、新能源汽车、工业自动化等新兴技术蓬勃发展的今天，电子电路的集成度和复杂度呈指数级增长。然而，雷电感应、电磁干扰、电源浪涌等瞬态过电压事件（典型脉冲上升沿＜1ns，能量峰值可达数千瓦），正成为威胁电路可靠性的 "隐形杀手"。据统计，超过 70% 的电子设备故障源于瞬态电压冲击，而 TVS 瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）作为最核心的过电压保护器件，凭借纳秒级响应速度与千瓦级浪涌吸收能力，成为电子工程师构建可靠电路的首选方案。

二、工作原理：基于雪崩效应的智能防护机制

TVS瞬态抑制二极管本质是基于 PN 结结构的电压触发型器件，其核心工作原理可分解为三个阶段：

（1）常态高阻态（＜击穿电压）

当电路电压低于额定击穿电压（VBR）时，PN 结处于反向截止状态，漏电流（IR）通常＜10μA，对主电路阻抗影响可忽略（等效阻抗＞10^9Ω），确保正常信号传输不受干扰。

（2）雪崩击穿响应（≥击穿电压）

当瞬态电压超过 VBR 阈值（偏差 ±5% 典型值），PN 结发生齐纳 - 雪崩联合击穿，耗尽区迅速扩展形成导电通道。此时器件进入负微分电阻区，阻抗骤降至毫欧级，可将瞬态电流导向接地端（如图 1 所示）。以 SMBJ 系列为例，1.5kW 功率等级器件在 8/20μs 标准浪涌下，导通时间＜1ps，能量泄放效率＞98%。

（3）自动恢复状态（电压回落）

过电压消失后，PN 结电场强度回归正常值，载流子复合过程启动，器件在 10μs 内恢复高阻态，具备重复防护能力（典型次数＞10^5 次）。这种 "被动触发 - 主动恢复" 的特性，使其区别于一次性熔断器件，显著提升电路维护效率。

三、核心性能参数：构建防护设计的技术坐标

1. 电压参数体系

击穿电压（VBR）：器件开始导通的临界电压，分 10% 偏差（军用级）与 20% 偏差（工业级）规格，选型时需预留 10%-15% 安全裕度（如 5V 系统通常选用 6.8V VBR 型号）

箝位电压（VC）：峰值电流（IPP）下的最大输出电压，要求 VC≤后级电路耐受电压。例如，面对 8/20μs 100A 脉冲，SMBJ33A 的 VC 典型值为 55V（较 VBR 增幅 66%）

反向工作电压（VRWM）：正常工作时的最高安全电压，通常取 VBR 的 80%（如 VBR=12V 对应 VRWM=10V）

2. 能量处理能力

脉冲峰值功率（PPM）：核心指标，定义为 VC×IPP，覆盖 0.5kW（SMA 封装）至 30kW（DO-201 封装）范围。需根据 IEC 61000-4-5 等标准选择对应等级器件

结电容（CJ）：高频应用关键参数，低电容型号（如 5pF 以下）适用于 100MHz 以上高速数据接口，避免信号衰减（＞100pF 会导致 3dB 带宽＜1GHz）

3. 动态特性

响应时间（tr）：从电压超过 VBR 到电流达到峰值的时间，主流器件＜1ns，满足 HDMI 2.1（18Gbps）等高速接口防护需求

温度特性：击穿电压具有负温度系数（-0.1%/℃典型值），高温环境需进行降额设计（如 85℃时降额 10% 使用）

四、多元应用场景：从消费电子到高端装备的全域覆盖

1. 通信领域：保障高速数据链路完整性

在 5G 基站的 BBU-RRU 连接中，75Ω 射频端口易受雷电感应（典型 8/20μs 20kA），需选用低电容（CJ＜3pF）、高功率（PPM≥5kW）的双向 TVS 器件（如 Littelfuse SMAJ33A），确保 10GHz 频段插入损耗＜0.5dB。对于以太网端口，需满足 IEEE 802.3bt PoE++ 标准，采用集成式 TVS 阵列（如 Bourns 的 SM712）实现共模 / 差模全防护。

2. 新能源汽车：应对严苛电气环境

在车载 OBC（车载充电机）电路中，电机启停产生的感性负载瞬变（典型 100μs 上升沿，峰值 200V），需选用 AEC-Q101 认证器件（如 Vishay 的 SMA6J 系列），具备 - 40℃~150℃宽温工作能力，且通过 1000 小时盐雾测试。电池管理系统（BMS）的高压采样电路，采用多芯片串联方案（如 3 颗 150V 器件串联）实现 600V 系统防护。

3. 工业控制：构建耐恶劣环境方案

在 PLC 输入模块设计中，针对 24V 直流母线可能出现的脉冲群干扰（IEC 61000-4-4，5kV/50ns），采用 TVS 与陶瓷电容（100nF）并联方案，将残压控制在 40V 以下。对于变频器的 IGBT 驱动电路，选用快恢复型 TVS（tr＜0.5ns）抑制母线电压尖峰（dv/dt＞10kV/μs），避免驱动芯片误触发。

4. 消费电子：兼顾防护与信号完整性

智能手机的 USB-C 接口需满足 USB PD 3.1（240W）标准，采用双面布局的 DFN1006 封装 TVS（如 Semtech 的 ESD5481），在提供 8kV ESD 防护的同时，保持 12GHz 带宽（插入损耗＜1dB）。笔记本电脑的 HDMI 接口，选用集成磁珠的 TVS 模组，抑制高频 EMI 噪声（1GHz 时衰减＞20dB）。

五、选型与设计指南：从参数匹配到布局优化

1. 核心选型步骤

① 确定电路最大工作电压（选择 VRWM≥1.1× 工作电压）② 评估瞬态波形（8/20μs 浪涌选功率型，10/1000μs 选能量型）③ 计算箝位电压裕度（VC≤电路耐压 ×0.9）④ 考虑封装兼容性（SOD-323 适用于 0402 PCB 空间，DO-218AB 用于大功率场景）

2. PCB 布局要点

遵循 "最短路径" 原则，TVS 与被保护接口间距＜10mm，地线宽度≥2mm（降低回路电感）

高速信号线路需采用差分对布局，TVS 接地端直接连接主地平面（避免形成 LC 谐振）

多器件级联时，按 "箝位电压从高到低" 顺序排列（如电源端 100V→中间级 50V→芯片端 30V）

六、技术发展趋势：迎接下一代电子系统挑战

随着碳化硅功率器件、10Gbps 以上高速接口的普及，TVS 技术正朝三个方向演进：① 高频化：开发 CJ＜1pF 的超高速器件（适用 28Gbps SerDes 接口）② 集成化：将 TVS 与 MLCC、ESD 器件集成于同一封装（如 QFN4 封装的多功能防护模组）③ 高压化：推出 1500V 以上耐压等级产品（适配 800V 电动车平台）

未来，TVS 器件将与主动防护电路（如过压保护芯片）深度融合，构建 "预防 - 抑制 - 恢复" 的全链路防护体系，为 6G 通信、自动驾驶等前沿领域提供坚实的可靠性保障。

结语：可靠性设计的关键一环

从微瓦级传感器到兆瓦级工业设备，TVS瞬态抑制二极管始终扮演着电路 "安全闸门" 的角色。其价值不仅在于参数指标的优化，更在于为复杂电子系统建立可预测的失效边界。随着电子技术向更高频率、更大功率、更严苛环境迈进，TVS 器件的技术创新与应用拓展，将持续推动可靠性工程的进步，成为连接理论设计与实际落地的关键桥梁。