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EMC

Auswahl der ESD-Klemmdiode

Berechnen Sie den Spitzenstrom, die Verlustleistung und das Klemmverhältnis der ESD-Zangendiode. Überprüfen Sie, ob der TVS-Schutz IEC 61000-4-2-konform ist.

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Formel

Ipk=(VESD−Vcl)/Z,Ppk=Vcl×IpkI_pk = (V_ESD − V_cl) / Z, P_pk = V_cl × I_pk
V_cl— Klemmspannung (V)
Z— Impedanz der Entlad (Ω)

Wie es funktioniert

Der ESD-Zangenauswahlrechner bestimmt die TVS-Diodenparameter für den IEC 61000-4-2-Schutz — unverzichtbar für USB, HDMI, Ethernet und jede extern zugängliche Schnittstelle. Hardwaretechniker verwenden dies, um Schutzgeräte auszuwählen, die 8-kV-ESD-Ereignisse innerhalb der Anstiegszeit der Kontaktentladung von <1 ns auf sichere Spannungen (<5,5 V für 3,3-V-ICs) ableiten.

Gemäß IEC 61000-4-2 und JEDEC JESD22-A114 ist für den ESD-Schutz eine Klemmspannung ( V_cl ) erforderlich, die unter dem absoluten Grenzwert des ICs liegt und gleichzeitig Spitzenströme von 15 bis 30 A aushält. Für die Kontaktentladung der Stufe 4 (8 kV) tabelliert IEC 61000-4-2 einen ersten Spitzenstrom von 30 A (3,75 A pro kV). Dieser Rechner schätzt I_pk = (V_ESD - V_cl) / Z, wobei Z der Entladewiderstand ist: 330 Ohm für das Entladenetzwerk nach IEC 61000-4-2 (das Human Body Model verwendet 1500 Ohm). Mit V_cl = 15V: I_pk = (8000-15) /330 = 24,2 A, also weniger als die erste Spitze von 30 A; prüfen Sie den TVS deshalb bei 30 A. Spitzenleistung P_pk = V_cl X I_pk = 363 W, aber nur für etwa 1 ns.

Das Spannverhältnis V_cl/V_ESD gibt die Schutzwirkung an. Gemäß den Anwendungshinweisen von ON Semiconductor erfüllen gute TVS-Dioden V_cl/V_ESD < 0.005 (15-V-Zange bei 8-kV-Spannung). Das Spannungsüberschwingen während der ersten Nanosekunde hängt von der Kapazität der TVS-Übergänge ab. Eine niedrigere Kapazität (<0,5 pF) ist entscheidend für Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (USB 3.0, HDMI 2.1), bei denen die Kapazität zu einer Impedanzfehlanpassung und einer Beeinträchtigung der Augen führt.

Gemäß den JEDEC- und USB-IF-Spezifikationen darf der ESD-Schutz die Signalintegrität nicht beeinträchtigen. Für USB 3.0 (5 Gbit/s) muss die TVS-Kapazität <0,5 pF betragen; für USB 3.2 Gen 2 (10 Gbit/s) <0,25 pF. TVS-Geräte mit höherer Kapazität sind für Schnittstellen mit niedrigerer Geschwindigkeit akzeptabel (USB 2.0: <5 pF; GPIO: <15 pF).

Rechenbeispiel

Problem: Wählen Sie den ESD-Schutz für den USB-Typ-C-Anschluss (3,3-V-Logik, IEC 61000-4-2-Level-4-Kontakt, USB 3.2 Gen 2 bei 10 Gbit/s).

Lösung gemäß IEC 61000-4-2:

  1. Maximale Nennleistung des IC: 3,3 V-Logik mit einem absoluten Höchstwert von 5,5 V (typisch für 3,3 V CMOS)
  2. Erforderlich V_cl: < 5,5 V bei ESD-Spitzenstrom
  3. Kontakt Stufe 4: V_ESD = 8 kV; erste Spitze nach IEC 61000-4-2 = 30 A (3,75 A pro kV); die Schätzung mit 330 Ohm, (8000-5,5) /330 = 24,2 A, liegt darunter, also für 30 A auslegen
  4. Suche nach TVS: V_cl < 5,5V bei 30 A, Kapazität < 0,25 pF für 10 Gbit/s
  5. Wählen Sie: Nexperia PESD5V0C1BSF (V_cl = 8V bei 16 A, 0,15 pF, SOD-923-Paket)
  6. Prüfen Sie bei 30 A: V_cl über 12V (aus der Datenblattkurve extrapolieren) — zu hoch!
  7. Alternative: TI TPD1E10B06 (V_cl = 4.5V bei 30 A, 0,18 pF) — erfüllt die Anforderungen
  8. Spannverhältnis: 4,5/8000 = 0,00056 — ausgezeichnet

Platzierung: Innerhalb von 2 mm Abstand zu den USB-Anschlüssen, direkt unter dem TVS-Pad geerdet, um eine minimale Induktivität zu gewährleisten. Der Serienwiderstand (10-33 Ohm) zwischen Stecker und TVS hilft bei der Begrenzung von dV/dt.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie Mehrkanal-TVS-Arrays für Steckverbinder mit mehreren Pins — laut Nexperia sparen TVS-Arrays (4-8 Kanäle) Platz auf der Platine und bieten eine angepasste Kapazität für Differenzpaare. Das Volumen kostet ungefähr 0,10 bis 0,30$ pro Kanal.
  • ✓Fügen Sie einen kleinen Serienwiderstand (10—47 Ohm) zwischen Stecker und TVS hinzu. Gemäß den Anwendungshinweisen von TI begrenzt dies die dV/dt bei ESD-Ereignissen und hilft, das Fernsehgerät schneller einzuschalten, wodurch die Spitzenüberhöhung um 20-30% reduziert wird.
  • ✓Überprüfen Sie die ESD-Leistung mit tatsächlichen IEC 61000-4-2-Tests — je ON Semi beeinflusst das PCB-Layout die Klemmspannung um 10-30%. Die Erdungsinduktivität, die Leiterbahnlänge und die Platzierung der Durchkontaktierung wirken sich alle auf die Leistung in der Praxis aus.

Häufige Fehler

  • ✗TVS nur anhand der Abstandsspannung auswählen — gemäß ON Semi ist die Abstandsspannung die DC-Betriebsspannung, nicht die Klemmspannung. Ein TV-Gerät mit 5-V-Abstandshaltung kann bei 8 kV ESD eine Klemmspannung von 9 V aufweisen, wodurch 3,3-V-ICs beschädigt werden. Prüfen Sie immer V_cl at ESD-Nennstrom.
  • ✗Ignorieren Sie die Kapazität für Hochgeschwindigkeitsschnittstellen — laut USB-IF führen TVS mit einem Wert von > 1 pF bei 5 Gbit/s zu einem Augenverschluss von 5 bis 10%. Verwenden Sie für Schnittstellen mit mehr als 10 Gbit/s TVS-Arrays mit <0,25 pF pro Leitung. Standard-TVS (5-15 pF) sind nur für Signale mit niedriger Geschwindigkeit geeignet.
  • ✗Platzieren Sie den ESD-Schutz weit vom Stecker entfernt — gemäß den JEDEC-Richtlinien ermöglicht jeder mm Leiterbahn zwischen Stecker und TVS, dass sich ESD-Spitzen ausbreiten, bevor sie eingeklemmt werden. Platzieren Sie das Fernsehgerät in einem Abstand von 2 mm vom Steckerstift mit direkter Erdung unter dem Gerät.

Häufig gestellte Fragen

Laut Littelfuse: ESD-TVS ist für schnelle Transienten (<1 ns Anstiegszeit) mit Spitzenströmen von 15-30 A für eine Dauer von <100 ns optimiert. Surge TVS verarbeitet langsamere Transienten (8/20 us-Wellenform gemäß IEC 61000-4-5) mit Strömen von 100-1000 A für Millisekunden. ESD-TVS haben eine geringere Kapazität (0,1-5 pF) und eine schnellere Reaktion; Surge-TVS haben eine höhere Energiebelastbarkeit. Verschiedene Bedrohungsprofile erfordern unterschiedliche Geräte.
Gemäß JEDEC: Die IEC 61000-4-2-Kontaktentladung verwendet 150 pF/330 Ohm mit einer Anstiegszeit von <1 ns und einer ersten Stromspitze von 30 A bei 8 kV — Prüfung auf Systemebene. HBM (Human Body Model) verwendet 100 pF/1500 Ohm mit einer Anstiegszeit von etwa 10 ns und einem Spitzenstrom von 5,3 A bei 8 kV — Prüfung auf Komponentenebene. IEC 61000-4-2 ist beim Spitzenstrom etwa 5,6-mal härter. Produkte müssen beide Anforderungen erfüllen, sofern zutreffend.
Nicht für ON Semi empfohlen: Zenerdioden haben eine Reaktionszeit von etwa 10 ns gegenüber <1 ns bei TVS. Während der ersten 10 ns eines ESD-Ereignisses sorgt Zener nicht für eine Klemmung — die gesamte ESD-Spitze erreicht den IC. TVS-Dioden wurden speziell für Reaktionszeiten im Sub-Nanosekundenbereich entwickelt. Verwenden Sie Zener nur für langsame Transienten (Überspannungsschutz, nicht ESD).
Gemäß JEDEC: V_cl muss unter dem absoluten Maximalwert des geschützten ICs liegen, typischerweise 0,3 V über Vcc für CMOS-Eingänge. Für 3,3-V-Logik: V_max typischerweise 3,6 V bis 5,5 V, je nach Prozess. Für 1,8-V-Logik: V_max typischerweise 2,0 V bis 3,0 V. Den genauen Wert finden Sie im IC-Datenblatt. Rand hinzufügen: Wählen Sie TVS aus, deren V_cl mindestens 10% unter V_max.liegt
Gemäß IEC 61000-4-2: (1) Führen Sie ESD-Tests gemäß der Norm mit einem kalibrierten ESD-Simulator durch; (2) Entladungen an allen zugänglichen Anschlüssen in der erforderlichen Höhe durchführen (normalerweise Stufe 4 = 8 kV Kontakt, 15 kV Luft); (3) Überwachung auf Funktionsstörungen (weiche Fehler) und Beschädigungen (harte Ausfälle); (4) Messen Sie die tatsächliche Klemmspannung mit dem Oszilloskop und der Stromsonde, wenn Fehler auftreten. Pre-Compliance-Tests sind bei Anbietern von ESD-Generatoren erhältlich.

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