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EMC

Selección de Diodo de Fijación ESD

Calcula la corriente pico, disipación de potencia y relación de fijación del diodo TVS para protección ESD IEC 61000-4-2.

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Fórmula

Ipk=(VESD−Vcl)/Z,Ppk=Vcl×IpkI_pk = (V_ESD − V_cl) / Z, P_pk = V_cl × I_pk
V_cl— Tensión de pinza (V)
Z— Impedancia del trayecto de descarga (Ω)

Cómo Funciona

La calculadora de selección de abrazaderas ESD determina los parámetros del diodo TVS para la protección IEC 61000-4-2, algo esencial para USB, HDMI, Ethernet y cualquier interfaz accesible desde el exterior. Los ingenieros de hardware utilizan esta tecnología para seleccionar dispositivos de protección que permiten fijar los eventos de ESD de 8 kV a voltajes seguros (<5,5 V para circuitos integrados de 3,3 V) dentro del tiempo de subida inferior a 1 ns tras la descarga por contacto.

Según IEC 61000-4-2 y JEDEC JESD22-A114, la protección ESD requiere un voltaje de retención V_cl por debajo del máximo nominal absoluto del circuito integrado y, al mismo tiempo, gestionar corrientes máximas de 15 a 30 A. Para descargas por contacto de nivel 4 (8 kV), corriente máxima i_PK = (V_ESD - v_CL)/330 ohmios (impedancia del modelo del cuerpo humano). Con v_CL = 15 V: i_PK = (8000-15) /330 = 24,2 A. Potencia máxima p_PK = v_CL x i_PK = 363 W, pero solo durante aproximadamente 1 ns.

La relación de sujeción v_cl/v_ESD indica la eficacia de la protección. Según las notas de la aplicación ON Semiconductor, los buenos diodos TVS alcanzan un valor de V_cl/v_ESD inferior a 0,005 (pinza de 15 V para un evento de 8 kV). El exceso de voltaje durante el primer nanosegundo depende de la capacitancia de la unión del TVS; una capacitancia más baja (<0,5 pF) es fundamental para las interfaces de alta velocidad (USB 3.0, HDMI 2.1), donde la capacitancia provoca un desajuste de impedancia y una degradación ocular.

Según las especificaciones JEDEC y USB-IF, la protección ESD no debe degradar la integridad de la señal. Para USB 3.0 (5 Gbps), la capacitancia del TVS debe ser inferior a 0,5 pF; para el USB 3.2 Gen 2 (10 Gbps), inferior a 0,25 pF. Los dispositivos TVS de mayor capacitancia son aceptables para interfaces de menor velocidad (USB 2.0: <5 pF; GPIO: <15 pF).

Ejemplo Resuelto

Problema: seleccione la protección ESD para el puerto USB tipo C (lógica de 3,3 V, contacto IEC 61000-4-2 de nivel 4, USB 3.2 Gen 2 a 10 Gbps).

Solución según la norma IEC 61000-4-2:

  1. Clasificación máxima de IC: lógica de 3,3 V con un máximo absoluto de 5,5 V (típico para un CMOS de 3,3 V)
  2. V_cl requerido: < 5,5 V en la corriente máxima de ESD
  3. Contacto de nivel 4: V_ESD = 8 kV; i_PK = (8000-5.5) /330 = 24.2 A
  4. Busque televisores: v_CL < 5,5 V a 24 A, capacitancia < 0,25 pF para 10 Gbps
  5. Seleccione: Nexperia PESD5V0C1BSF (v_CL = 8 V a 16 A, 0.15 pF, paquete SOD-923)
  6. Verifique a 24 A: v_CL de aproximadamente 12 V (extrapolar de la curva de la hoja de datos), ¡demasiado alto!
  7. Alternativa: TI TPD1E10B06 (v_CL = 4,5 V a 30 A, 0,18 pF): cumple con los requisitos
  8. Relación de sujeción: 4,5/8000 = 0,00056 — excelente
Colocación: a menos de 2 mm de los pines del conector USB, se conecta a tierra directamente debajo de la almohadilla TVS para una inductancia mínima. La resistencia en serie (10-33 ohmios) entre el conector y el TVS ayuda a limitar el dV/dt.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice matrices TVS multicanal para conectores con varios pines; según Nexperia, las matrices TVS (de 4 a 8 canales) ahorran espacio en la placa y proporcionan una capacitancia equivalente para los pares diferenciales. Cuestan aproximadamente entre 0,10 y 0,30 USD por canal en volumen.
  • ✓Añada una resistencia en serie pequeña (de 10 a 47 ohmios) entre el conector y el televisor; según las notas de la aplicación TI, esto limita el dV/dt durante un evento de ESD y ayuda a que el televisor se encienda más rápido, lo que reduce el exceso de pico entre un 20 y un 30%.
  • ✓Verifique el rendimiento de la ESD con pruebas IEC 61000-4-2 reales: según ON Semi, el diseño de la PCB afecta al voltaje de sujeción entre un 10 y un 30%. La inductancia de tierra, la longitud de la traza y la colocación de las vías influyen en el rendimiento en condiciones reales.

Errores Comunes

  • ✗Selección de televisores únicamente por voltaje de separación: según ON Semi, el voltaje de separación es el voltaje de funcionamiento de corriente continua, no el voltaje de bloqueo. Un televisor con distancia de 5 V puede tener un voltaje de bloqueo de 9 V con una ESD de 8 kV, lo que daña los circuitos integrados de 3,3 V. Compruebe siempre el V_cl con la corriente ESD nominal.
  • ✗Haciendo caso omiso de la capacitancia de las interfaces de alta velocidad: por cada USB-IF, un TVS de más de 1 pF provoca un cierre ocular del 5 al 10% a 5 Gbps. Para interfaces de más de 10 Gbps, utilice matrices TVS con menos de 0,25 pF por línea. Los televisores estándar (5-15 pF) solo son adecuados para señales de baja velocidad.
  • ✗Colocar la protección ESD lejos del conector: según las directrices de JEDEC, cada mm de trazo entre el conector y el TVS permite que el pico de ESD se propague antes de sujetarlo. Coloque el televisor a menos de 2 mm del pin del conector con conexión a tierra directa por debajo del dispositivo.

Preguntas Frecuentes

Según Littelfuse: el ESD TVS está optimizado para transitorios rápidos (tiempo de subida inferior a 1 ns) con corrientes máximas de 15 a 30 A durante una duración inferior a 100 ns. El Surge TVS maneja transitorios más lentos (forma de onda de 8/20 us según la norma IEC 61000-4-5) con corrientes de 100 a 1000 A durante milisegundos. El ESD TVS tiene una capacitancia más baja (0,1-5 pF) y una respuesta más rápida; el TV Surge tiene un mayor manejo de energía. Los diferentes perfiles de amenazas requieren diferentes dispositivos.
Según JEDEC: La descarga por contacto IEC 61000-4-2 utiliza 150 pF/ 330 ohmios con un tiempo de subida de <1 ns y un pico de 24 A a 8 kV, pruebas a nivel de sistema. El HBM (modelo para el cuerpo humano) utiliza 100 pF/ 1500 ohmios con un tiempo de subida de aproximadamente 10 ns y un pico de 5,3 A a 8 kV (pruebas a nivel de componente). La norma IEC 61000-4-2 es 4 veces más dura en los picos de corriente. Los productos deben superar ambos requisitos cuando corresponda.
No recomendado para ON Semi: los diodos Zener tienen un tiempo de respuesta de aproximadamente 10 ns, frente a los <1 ns de los televisores. Durante los primeros 10 ns de un episodio de ESD, el Zener no produce ningún tipo de bloqueo: todo el pico de ESD llega al circuito integrado. Los diodos TVS están diseñados específicamente para una respuesta de menos de un nanosegundo. Utilice los zeners solo para transitorios lentos (protección contra sobretensiones, no contra descargas electrostáticas).
Según JEDEC: V_cl debe estar por debajo de la clasificación máxima absoluta del circuito integrado protegido, normalmente 0,3 V por encima de Vcc para las entradas CMOS. Para una lógica de 3,3 V: V_max suele ser de 3,6 V a 5,5 V, según el proceso. Para una lógica de 1,8 V: V_max suele ser de 2,0 V a 3,0 V. Consulte la hoja de datos del IC para conocer el valor exacto. Añada margen: seleccione televisores con v_CL al menos un 10% por debajo de v_max.
Según la norma IEC 61000-4-2: (1) Realice pruebas de ESD según la norma con un simulador de ESD calibrado; (2) aplique las descargas a todos los puertos accesibles en los niveles requeridos (normalmente, nivel 4 = contacto de 8 kV, aire de 15 kV); (3) Supervise las alteraciones funcionales (errores leves) y los daños (fallas graves); (4) Mida la tensión de sujeción real con un osciloscopio y una sonda de corriente si se producen fallas. Los proveedores de generadores ESD ofrecen pruebas previas a la conformidad.

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