在现代电子产品中，电磁兼容性（EMC）和静电放电（ESD）防护不再是“选配”，而是硬件设计中的必需品。瞬态电压抑制二极管（TVS二极管）作为应对ESD、浪涌、电感耦合等瞬态干扰的关键元件，其性能发挥不仅依赖器件参数的选择，还深受PCB布局策略的影响。
一、TVS二极管的工作机理
TVS二极管是一种专为吸收瞬态能量而设计的保护型二极管，其内部结构类似于具备雪崩击穿机制的PN结。在正常工作电压下，它处于高阻抗、低漏电的开路状态；一旦检测到瞬态电压如ESD尖峰，电压超过其击穿阈值（VB），TVS二极管瞬间导通，提供一条低阻抗路径，将能量引导至地，从而避免被保护元件因过压损坏。
尤其值得强调的是，TVS二极管的响应时间通常以皮秒（ps）计，因此它非常适用于应对快速上升沿的ESD脉冲。
二、TVS二极管的核心选型参数
选择TVS二极管，决不能仅凭封装或供电电压做粗略判断。以下几个参数决定了其是否适用于具体应用：
反向击穿电压（VB）：决定了二极管在何时开始导通，通常应略高于系统最大工作电压。
钳位电压（VC）：当二极管导通后，其两端电压的上限，需低于被保护器件的最大承受电压。
额定工作电压（VWM）：在该电压以下，TVS维持截止状态，对系统无干扰。
峰值脉冲功率（PPP）：能耗能力的衡量指标，需评估最严重瞬态下是否足够。
举例而言，USB接口通常选择钳位电压在6~8V的双向TVS二极管，而RS485或CAN总线则更需注重功率耗散能力。
三、单向与双向的选择逻辑
TVS二极管主要分为两类：
单向型：适合DC供电系统，如5V、12V电源输入线。
双向型：更适合双极性或差分信号，如USB、RS485、HDMI等。
一个常见误区是，工程师倾向于优先选用单向TVS，认为其保护性更强，但实际在差分总线或模拟线路中，双向TVS的对称导通特性更有利于防护，特别是在地电位偏移或接地故障时依旧可提供保护。
四、TVS二极管的PCB布局技巧
布置位置：必须“贴近入口”
TVS二极管应尽量靠近接口、连接器等暴露于外部环境的位置，使其成为ESD电流的“第一道关卡”。若布局过远，ESD能量可能已在到达TVS之前在信号线中形成电压尖峰，危及下游器件。
示例：TVS应布置在USB、以太网、RS485接口的信号线入口处，紧邻接插件。
最短路径原则：布局走线“无迂回”
TVS至信号线及接地之间的连接必须尽可能短，走线应避免弯折，以降低路径电感。寄生电感将直接导致钳位电压升高，削弱保护效果。
建议使用如下布局方式：
将TVS并联于信号线与地之间，形成“旁路”结构。
走线宽而短，采用敷铜加宽方式可进一步降低阻抗。
接地策略：分层接地与机壳接地结合
最佳接地方式应满足低阻抗、低电感、路径清晰三要素。具体实现手段包括：
若产品具备金属外壳，应优先将TVS接至机壳地。
如无金属外壳，可连接至内部地平面，但应靠近电源回路共模参考点。
此外，对于通过螺丝固定在金属机壳上的TVS地引脚，可利用加粗走线或过孔矩阵提升导通能力。
五、屏蔽≠隔离，而是导通
许多高速接口（如RJ45、USB Type-C）附带金属屏蔽壳，这些屏蔽层应直接接地，而不是通过串联电阻或RC电路“软连接”。其理由有三：
延迟了ESD电流的泄放；
提高了系统地电位；
削弱了TVS的导通触发。
屏蔽壳接地可以通过以下方式完成：
金属壳与TVS并联放置，共接到机壳地；
或通过过孔矩阵与地平面直接连接，形成冗余路径。
六、典型应用案例：以RS485接口为例
在RS485总线上，D+、D-需通过双向TVS分别接地，TVS应紧邻接口RJ45插座布置，且走线对称。
此外：
TVS与收发芯片之间的走线尽量短且等长；
连接器屏蔽壳应接地，且与TVS所用地网统一；
若有TVS漏电流敏感问题，可考虑选用超低漏电型号（如<1nA等级）。
TVS二极管本身只是防护的工具，真正决定保护效果的，是整个PCB设计对电磁骚扰响应路径的规划能力。从TVS的放置、走线到接地策略，每一步都影响其能否“抢在损伤之前”触发导通。
建议硬件工程师在设计阶段就将TVS布防作为一项系统工程，而非简单的补丁添加。未来，随着ESD事件频率与强度提升，高速接口越来越多，对PCB防护设计提出了更高要求。TVS二极管的合理运用，是实现电子系统长期可靠运行的重要基石。
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