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EMC

Calculadora de Diodo TVS para ESD

Calcula la tensión de ruptura, tensión de clamp, corriente pico y potencia del diodo TVS para protección ESD.

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Fórmula

Ipp=VESDRHBM,Ppk=Vclamp×IppI_{pp} = \frac{V_{ESD}}{R_{HBM}},\quad P_{pk} = V_{clamp} \times I_{pp}

Referencia: JEDEC JESD22-A114 HBM / IEC 61000-4-2

Vwm— Tensión de trabajo (V)
VBR— Tensión de ruptura (V)
Vclamp— Tensión de pinza (V)
R_HBM— Resistencia de descarga HBM 1500Ω (Ω)

Cómo Funciona

La calculadora de diodos ESD TVS calcula el voltaje de ruptura, el voltaje de bloqueo y el manejo de la energía para la selección del supresor de voltaje transitorio, algo esencial para proteger la lógica de 3,3 V/5 V, las interfaces USB/HDMI y la electrónica automotriz de los eventos de ESD IEC 61000-4-2. Los ingenieros de hardware la utilizan para evitar que las descargas electrostáticas de 2 a 15 kV que se produzcan durante la manipulación normal del producto dañen los circuitos integrados.

< IC absolute maximum rating; (3) Peak pulse power P_pk >Según las notas de aplicación de JEDEC JESD22-A114 y ON Semiconductor, la selección de diodos TVS requiere la coincidencia de tres parámetros: (1) tensión de parada V_WM > tensión de funcionamiento con un margen del 10%; (2) tensión de retención V_cl en la corriente máxima V_cl x i_PK durante un evento de ESD. Para la norma IEC 61000-4-2 de nivel 4 (contacto de 8 kV), i_PK = 24 A durante aproximadamente 1 ns.

El modelo del cuerpo humano (HBM) utiliza 100 pF/ 1500 ohmios, lo que produce i_PK = V_ESD/ 1500 en el momento de la sobretensión inicial. Para un HBM de 2 kV: i_PK = 2000/1500 = 1,33 A. Potencia máxima p_PK = v_CL x i_PK; para un TVS con v_CL = 8 V: p_PK = 8 x 1,33 = 10,6 W. Los dispositivos TVS se clasifican para una potencia máxima (normalmente de 400 a 600 W para el SOD-323, 1500 W para el SMC) suponiendo una corta duración de pulso por JEDEC.

Según las hojas de datos de Nexperia y Littelfuse, el tiempo de respuesta del TVS es de <1 ns para los diodos de avalancha de silicio. La capacitancia oscila entre 0,1 pF (capitalización baja para alta velocidad) y más de 100 pF (televisores de potencia estándar). Para USB 3.0+, especifique <0,5 pF para mantener la integridad de la señal; para los rieles de alimentación, se acepta una capacitancia más alta.

Ejemplo Resuelto

Problema: seleccione TVS para proteger el microcontrolador GPIO de 3,3 V de un ESD HBM de 2 kV. El máximo absoluto del circuito integrado es de 4,0 V en cualquier pin.

Solución según JEDEC:

  1. Tensión de funcionamiento: 3,3 V; punto muerto V_WM > 3,3 x 1,1 = 3,63 V; selecciona televisores con separación de 5 V
  2. Parámetros de HBM: 100 pF, 1500 ohmios, 2 kV
  3. Corriente máxima: i_PK = 2000/1500 = 1,33 A
  4. V_cl requerido: < 4,0 V (IC máximo absoluto), seleccione televisores con v_CL < 4,0 V a 1,33 A
  5. Televisores típicos de 5 V: V_cl aproximadamente de 9 a 12 V a 1 A, ¡DEMASIADO ALTO para un máximo de 4 V!
  6. Si necesita televisores de baja presión: seleccione PESD3V3L1BA (televisores de 3,3 V, v_CL = 6,5 V a 1 A)
  7. ¿Sigue demasiado alto? Utilice el TVS bidireccional PESD3V3S1UB (v_CL = 5,5 V a 1 A), ¿cumple con los 4,0 V? No.
  8. Solución: Agregue una resistencia en serie de 100 ohmios al GPIO; esta caída (1,33 A x 100) = 133 mV, lo que permite que V_cl alcance hasta 4,13 V
Alternativa: seleccione un televisor de 3,3 V de riel a riel con un V_cl más bajo, o utilice una pinza de diodo Schottky en el riel Vcc si existe un margen de tensión.

Consejos Prácticos

  • ✓Elija televisores con v_CL al menos un 20% por debajo del máximo absoluto del circuito integrado: según ON Semi, la corriente ESD varía entre un +/- 20% en casos reales; el margen evita los daños marginales que provocan fallos latentes.
  • ✓Utilice televisores bidireccionales para las señales que oscilan bajo tierra; según Nexperia, los televisores unidireccionales solo retienen los transitorios positivos; la ESD negativa puede dañar el circuito integrado mediante la inyección de sustrato.
  • ✓Coloque el TVS lo más cerca posible del conector o pin IC que se está protegiendo; según JEDEC, cada 10 mm de traza agrega una inductancia de aproximadamente 10 nH, lo que crea un sobreimpulso de V = L x Di/dt durante un evento de ESD.

Errores Comunes

  • ✗Seleccionar los TVS en función del voltaje de separación que coincida con el voltaje de operación: según Littelfuse, V_cl suele ser entre 1,3 y 1,8 veces más alto que el voltaje de separación a la corriente nominal. Un televisor independiente de 5 V tiene un V_cl de aproximadamente 8 a 9 V, lo que perjudica al CMOS de 3,3 V con una potencia máxima de 4,0 V.
  • ✗Ignorando la corriente máxima en el cálculo de la potencia: según JEDEC, el pulso de HBM tiene un pico de 1,33 A, pero la IEC 61000-4-2 tiene un pico de 24 A al mismo voltaje. La potencia nominal debe coincidir con el modelo ESD contra el que se está protegiendo, no solo con la tensión.
  • ✗Uso de televisores estándar en señales de alta velocidad: por USB-IF, los televisores estándar (5-50 pF) provocan un cierre ocular del 10 al 20% a 480 Mbps y un fallo total de la señal a más de 5 Gbps. Especifique televisores de baja capitalización (<1 pF) para cualquier señal de más de 100 MHz.

Preguntas Frecuentes

Según Littelfuse: Los diodos TVS protegen los circuitos integrados de la sobretensión transitoria al mantener el voltaje a un nivel seguro y, al mismo tiempo, absorber las sobretensiones. Funcionan en modo de protección contra avalanchas durante los eventos de ESD, y conducen la corriente a través del dispositivo en lugar de hacerlo a través del circuito integrado protegido. El tiempo de respuesta inferior a 1 ns proporciona protección durante el rápido aumento inicial de los pulsos de ESD.
Según JEDEC: La selección de TVS prioriza: (1) la tensión de retención en la sobretensión máxima, no solo la tensión de ruptura; (2) la potencia nominal máxima de pulso para la forma de onda ESD específica (HBM, IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-5); (3) la capacitancia para la integridad de la señal; (4) el tiempo de respuesta (se requiere menos de 1 ns). Los diodos regulares se seleccionan para la tensión continua, la corriente directa y la recuperación inversa, parámetros completamente diferentes.
Según ON Semi: El TVS unidireccional fija los voltajes positivos por encima de V_cl y actúa como diodo directo (caída de 0,7 V) para los voltajes negativos. El TVS bidireccional fija simétricamente ambas polaridades en +/-V_cl. Utilice la tecnología bidireccional para: señales de corriente alterna, señales que oscilan por debajo del suelo y líneas de datos con polaridad desconocida. Úselo de forma unidireccional para: rieles de alimentación de corriente continua y señales referenciadas a tierra fija.
Por USB-IF: la capacitancia del TVS carga la línea de señal, lo que provoca un desajuste de impedancia y una reflexión. A 5 Gbps, la capacitancia de 1 pF provoca aproximadamente un 5% de cierre ocular; 5 pF provoca aproximadamente un 20%. Para interfaces de alta velocidad (USB 3.0+, HDMI 2.0+, PCIe), especifique televisores con menos de 0,5 pF. En el caso de los rieles de alimentación y las señales de baja velocidad (<100 MHz), la capacitancia es menos crítica; los televisores de mayor capacitancia suelen tener una mejor sujeción.
Según el procedimiento de prueba IEC 61000-4-2: (1) Aplique descargas ESD a niveles específicos en todos los puntos accesibles; (2) verifique que no haya alteraciones o daños funcionales; (3) Para pasadas marginales, utilice un osciloscopio con una sonda de corriente de gran ancho de banda para medir el V_cl real durante la descarga. Si v_CL supera las clasificaciones de circuitos integrados, es necesario mejorar la selección o el diseño de los televisores. Los generadores de ESD (Teseq, socio de EMC) que no cumplen con las normas permiten realizar pruebas internas.

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