师出之日,有死而荣,无生而辱 - 《吴子兵法·论将》
意为开赴战场之后,就要以赴死为荣,而不能苟且偷生、屈辱地保全生命。
这不仅是中国古代将士的誓言,日本动漫游戏《只狼》旗帜亦有"有死之荣,无生之辱",是东方文化共通的悲壮主题。花属樱花,人惟武士,樱花在盛放时极为璀璨,绚烂如霞,但花期很短,转瞬即逝。而牛马,甚至没有花期,埋没于历尘埃,不废江河万古流。而牺牲众人推举而出的人,自诩为企业家,其实质不过是个商人,更增添了悲凉的底色,让人愤恨难平。

吴起这种“舍生取义”的思想,也会在手机的防护领域展现出来。我们会特意将TVS放置在最靠近接口(受攻击入口)的地方,让其成为抵御外患的第一道防线。而它确实也在最需要的时刻,以血肉之躯承担外界的猛烈攻击。必要情况下,它甚至会牺牲自我来我捍卫了整个系统的安全与尊严,是真正的敢死之士。
防护背景
为什么电路上需要TVS,又花钱又占地方,不要行不行?
以手机的VBUS端口为例,其直接暴露在外,容易受到各种瞬态电压的威胁。
比如秋天人体产生的静电,其瞬态高压可能高达数千伏;
又比如浪涌,充电器插拔时可能产生高压尖峰;或者充电时,市电上有大功率电气设备快速通断,导致浪涌高压传导到手机端;或者充电时,刚好有雷电打在市电上,传导到手机端,表现为浪涌高压尖峰。
如果没有TVS,上述这些瞬态高压先会冲到手机的电源管理芯片,后冲到CPU、DDR、UFS等大件,造成永久性损坏,或者更为严重的间接故障,比如充电IC受浪涌打击后,过压充电,最终起火爆炸。
你自己出门不带伞,这没关系,但你会让你创造的产品出去害人吗?有良知的人不会做这种事情,人生赤条条来,赤条条走,坦坦荡荡,不亏欠任何人。回到某些“企业家”,在轮回的节点上,敢拍着胸脯说,没亏欠过任何人吗?敢说自己没偷工减料吗?尤其在用户认知不到的地方。
TVS原理
TVS,Transient Voltage Suppression,即瞬态电压抑制二极管,是手机中重要的防护器件。
TVS反向并联在电路中,当电路正常工作时,处于高阻状态(截止),可以理解为开路;而当有异常高压时,TVS迅速由高阻状态变为低阻状态,用自己的身躯泄放异常高压(自身流过瞬时大电流),把异常高压钳制在后级电路可承受的电压之内,保护后级电路免遭高压击穿。当异常过电压消失后,TVS又恢复为高阻态。

TVS参数之Vrwm
如果问TVS中哪个参数最基础,那就是Vrwm,Vrwm也称工作电压,比如在沟通中常说某个24V的TVS,这个24V指的就是Vrwm。
TVS管的Vrwm电压要略高于线路最高工作电压,这样才能保证TVS不漏电或漏电流微弱到忽略不计。因为正常的情况下,TVS是不工作的,即处于截止状态。

那Vrwm能不能远高于电路的工作电压呢?
不能,原因有二:
- 通常Vrwm越高,其钳位电压Vc也会较高,Vc电压过高有可能损坏后级电路。
- 如果Vrwm远大于后级电路的工作电压,甚至超过了电路最大可承受的高压Vmax,则结果很明显,对于特定区间的高压,TVS处于划水摸鱼状态,它就不钳位,有相当于没有。
以手机VBUS端口的TVS为例,根据PD3.0-PPS规范,其充电电压最大为20V,所以手机上通常选择24V Vrwm的TVS。

TVS参数之Vc
如果问TVS哪个参数最重要,那就是Vc,钳位电压,选管子不关注Vc就相当于叶公好龙。
TVS作为敢死之士,真正起作用时,就是Vc时刻。它代表了在遭受浪涌冲击时,能将电压“压制”到多低。Vc必须低于后级芯片(如PMIC)的最大耐受电压。

举例某24V TVS管的钳位电压与峰值脉冲电流关系曲线如下图,我们可看到TVS在承受IPP为120A的8/20μs脉冲时,Vc为32.5V,这意味着即使一个高压脉冲袭来,只要承受电流不超过120A,TVS能确保到达后方芯片的电压不会超过32.5V。

TVS参数之VBR
VBR通常指在规定的直流电流下测到的TVS两端电压。
测试电流通常选取1mA,但对于低压TVS,由于漏电流较大,部分TVS供应商选取的大一些,如5mA或者10mA,供应商的规格书会标明测试条件。
VBR测试电路下图所示,注入恒流源,读出TVS两端的电压即为击穿电压。电流施加时间应不超过400ms,以免TVS过热损坏。

TVS参数之IR
IR,漏电流,指在规定温度和Vrwm电压条件下,流过 TVS的最大电流。IR的测试电路如下图,采用电压源提供直流电压偏置,设置为Vrwm电压,然后用万用表测量电流,即为IR。

对于一些低功耗电路,要特别关注IR参数,以免对系统功耗造成影响。
TVS参数之结电容
结电容是指TVS的寄生电容,它由PN结面积和反向电压决定。TVS的功率越大,结面积就越大,寄生电容也越大。
TVS的结电容随反向电压的增加而减小,在击穿时减到最小。

对于VBUS这种纯电源线,结电容通常不是大问题,可以容忍几百皮法甚至更高。但对于高速通信电路,其信号线上的TVS,要特别关注结电容参数,结电容越大,则边沿变缓,眼图变差,影响通信质量。
TVS参数之IPP
TVS所能安全承受而不损坏的最大瞬态脉冲电流。它代表了TVS的能量吸收能力。这个值越大,TVS能抵御的浪涌事件能量就越强。通常根据行业标准(如IEC 61000-4-2 for ESD, IEC 61000-4-5 for Surge)来规定测试条件。
总结
TVS没有C位出道的风光,却承担了最基础、最危险、最不讨好的工作。但正是这份默默奉献,才让屏幕的艳丽、相机的精彩、游戏的流畅成为可能。
生时,承担伤害;死时,就算死,也是独自赴死,防护电路不出其他的严重故障(比如燃烧、爆炸),把电路的维修成本降到最低。
故给TVS赋予一种悲壮崇高的色彩,它不再是冷冰冰的电子元件,接下来讲述由TVS和OVP模块组合构成的防护设计。