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EMC

Calculadora de Diodo TVS para ESD

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

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Fórmula

Ipp=VESDRHBM (HBM),Ipp=3.75 AkV×VESD (IEC 61000-4-2),Ppk=Vclamp×IppI_{pp} = \frac{V_{ESD}}{R_{HBM}}\ (\text{HBM}),\quad I_{pp} = 3.75\,\tfrac{\text{A}}{\text{kV}} \times V_{ESD}\ (\text{IEC 61000-4-2}),\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 fijación (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.

Según las notas de aplicación JEDEC JESD22-A114 y ON Semiconductor, la selección de diodos TVS requiere que coincidan tres parámetros: (1) voltaje de separación V_WM > voltaje de operación con un margen del 10%; (2) voltaje de apriete V_cl en la corriente máxima máxima absoluta del IC; (3) potencia de pulso pico P_pk > V_cl x I_pk durante el evento de ESD. Para IEC 61000-4-2 de nivel 4 (contacto de 8 kV), I_pk = 30 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 del aumento 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 = 8V: P_pk = 8 x 1,33 = 10,6 W. Los dispositivos TVS están clasificados para una potencia máxima (normalmente de 400 a 600 W para el SOD-323, 1500 W para el SMC) suponiendo que la duración del pulso según JEDEC sea corta.

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 (diodos TVS de potencia estándar). Para USB 3.0+, especifique <0,5 pF para mantener la integridad de la señal; en el caso de 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; separador V_WM > 3.3 x 1,1 = 3,63 V; seleccione diodos TVS 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. Se requiere V_cl: < 4.0 V (IC absoluto máx.), seleccione diodos TVS con V_cl < 4.0 V a 1,33 A
  5. Diodos TVS típicos de separación de 5 V: V_cl aproximadamente de 9 a 12 V a 1 A, ¡DEMASIADO ALTOS para un máximo de 4,0 V!
  6. Si necesita diodos TVS con una tensión de fijación baja: seleccione PESD3V3L1BA (diodo TVS de 3,3 V, V_cl = 6,5 V a 1 A)
  7. ¿Sigue demasiado alto? Utilice un TVS bidireccional PESD3V3S1UB (V_cl = 5.5V (a 1 A), ¿cumple con 4.0V? ¡No!.
  8. Solución: Añada una resistencia en serie de 100 ohmios al GPIO; esta caída (1,33 A x 100) = 133 mV, lo que permite que V_cl 7 llegue a 4,13 V

Alternativa: seleccione diodos TVS de riel a riel de 3,3 V con Lower V_cl, o utilice un diodo Schottky de fijación para el riel Vcc si existe un margen de tensión.

Consejos Prácticos

  • ✓Elija diodos TVS con un artículo 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 diodos TVS bidireccionales para las señales que oscilan bajo tierra; según Nexperia, los diodos TVS 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

  • ✗Selecting TVS based on standoff voltage matching operating voltage — per Littelfuse, V_cl is typically 1.3-1.8x higher than standoff voltage at rated current. A 5V standoff TVS has V_cl approximately 8-9V, damaging 3.3V CMOS with 4.0V max rating.
  • ✗Ignorando la corriente máxima en el cálculo de la potencia: según JEDEC, el pulso de HBM tiene un pico de 1,33 A a 2 kV, pero la descarga por contacto de la IEC 61000-4-2 tiene un primer pico de 7,5 A a la misma tensión (3,75 A por kV). La potencia nominal debe coincidir con el modelo ESD contra el que se está protegiendo, no solo con la tensión.
  • ✗Uso de TVS estándar en señales de alta velocidad: según USB-IF, los TVS 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 diodos TVS 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 sujeta simétricamente ambas polaridades en +/-V_cl . Use bidireccional para: AC signals, signals that swing below ground, data lines with unknown polarity. Use unidireccional para: DC power rails, signals referenced to fixed ground.
Según 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 diodos TVS 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 diodos TVS 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 el V_cl supera las clasificaciones de circuitos integrados, es necesario mejorar la selección o el diseño de los diodos TVS. Los generadores ESD (Teseq, socio de EMC) que no cumplen las normas permiten realizar pruebas internas.

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