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ESD-Klemmdioden-Auswahl

Berechnet ESD-Klemmdioden-Spitzenstrom, Verlustleistung und Klemm-Verhältnis für IEC 61000-4-2-Schutz.

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Formel

I_pk = (V_ESD − V_cl) / Z, P_pk = V_cl × I_pk

V_cl— Clamp voltage (V)
Z— Discharge path impedance (Ω)

Wie es funktioniert

ESD-Klemmdioden (electrostatic discharge) schützen empfindliche ICs vor Spannungstransienten, die ihre maximalen Nennwerte überschreiten. Bei einem typischen ESD-Ereignis (IEC 61000-4-2 Level 4: ±8 kV-Kontakt) fließt der Entladestrom durch die serielle Pfadimpedanz Z (typischerweise 330 Ω für das HBM- oder Kontaktentladungsmodell). Der Spitzen-Klemmstrom ist i_PK = (V_ESD − v_Cl)/Z, wobei V_cl die Klemmspannung der TVS-Diode bei Spitzenstrom ist. Die Spitzenleistung, die in der Klemme abgeführt wird, ist P_PK = V_Cl × I_PK. Damit der IC überleben kann, muss die Klemmspannung (V_Cl) unter der absoluten Nennleistung des ICs bleiben. Das Klemmverhältnis v_CL/v_ESD gibt an, wie effizient das Gerät klemmt. Ein niedriges Verhältnis (< 0,01) bedeutet eine effektive Klemmung.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein IEC 61000-4-2-Kontakt-ESD-Ereignis (V_ESD = 4 kV) trifft auf eine USB-Leitung, die durch eine TVS-Klemme mit V_cl = 15 V und einer Reihenimpedanz von 330 Ω geschützt ist. Berechnen Sie Spitzenstrom, Spitzenleistung und Klemmverhältnis. Lösung: 1. Spitzenstrom: i_PK = (4000 − 15)/330 = 3985/330 = 12,1 A 2. Spitzenleistung: p_PK = 15 × 12,1 = 181 W 3. Spannverhältnis: v_CL/v_ESD = 15/4000 = 0,00375 Ergebnis: Die TVS-Klemme leitet 181 W Spitzenleistung ab (aber nur für ~1 ns) und klemmt die Leitung auf 15 V. Stellen Sie sicher, dass der IC 15 V am geschützten Pin toleriert. Das niedrige Klemmverhältnis (0,37%) bestätigt eine effektive Unterdrückung.

Praktische Tipps

  • ✓Wählen Sie für IEC 61000-4-2 Level 4 (±8 kV) ein TVS mit einem Spitzenimpulsstrom von ≥ 15 A (bei der entsprechenden Impulsbreite) mit ausreichendem Spielraum.
  • ✓Verwenden Sie Mehrkanal-TVS-Arrays für Schnittstellen mit vielen Anschlüssen (USB, HDMI, Ethernet), um Platz auf der Platine zu sparen und die Routing-Induktivität zu reduzieren.
  • ✓Fügen Sie einen kleinen Serienwiderstand (10—47 Ω) zwischen dem Stecker und dem TVS ein, um die dV/dt-Belastung des TVS zu reduzieren und die ESD-Grenzwerte einzuhalten.

Häufige Fehler

  • ✗Auswahl einer TVS-Diode allein auf der Grundlage der Sperrspannung, ohne die Klemmspannung bei Spitzenstrom zu überprüfen — V_cl ist immer höher als die Sperrspannung.
  • ✗Bei Hochgeschwindigkeitsleitungen wird die Kapazität der TVS-Diode ignoriert — für USB 3.0 oder HDMI ist ein TVS mit niedriger Kapazität (< 0,5 pF) erforderlich.
  • ✗Platzieren Sie die ESD-Klemme weit vom Stecker entfernt — jeder mm Leiterbahn zwischen Stecker und Klemme ermöglicht die Ausbreitung der ESD-Spitze. Platzieren Sie die Klemmen nicht weiter als 2 mm vom Stecker entfernt.

Häufig gestellte Fragen

ESD-TVS-Klemmen sind für sehr schnelle Anstiegszeiten (< 1 ns) und hohe Spitzenströme (1—30 A) bei sehr kurzen Impulsen (< 100 ns) optimiert. Surge TVS verarbeitet längere Impulse (Millisekunden) mit höherer Energie. Beide sind bidirektionale TVS-Dioden, die jedoch für unterschiedliche Bedrohungsprofile dimensioniert sind.
IEC 61000-4-2 (Kontaktentladung) verwendet ein Modell mit 330 Ω/150 pF mit einer schnelleren Anstiegszeit (~1 ns) und einem höheren Spitzenstrom als das Human Body Model (HBM, 1500 Ω/100 pF). IEC 61000-4-2 ist strenger und wird für Tests auf Systemebene verwendet, während HBM für Tests auf Komponentenebene verwendet wird.
Nicht zu empfehlen. Zener-Dioden sind nicht für schnelle Transienten optimiert — sie haben im Vergleich zu TVS-Dioden (< 1 ns) langsame Reaktionszeiten (typischerweise > 10 ns). Verwenden Sie für den ESD-Schutz ein TVS, das für das jeweilige ESD-Modell und das Energieniveau ausgelegt ist.

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