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EMC

Sélection de diodes d'écrêtage ESD

Calculez le courant de crête, la dissipation de puissance et le taux d'écrêtage de la diode TVS ESD. Vérifiez la conformité de la protection TVS à la norme IEC 61000-4-2.

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Formule

Ipk=(VESD−Vcl)/Z,Ppk=Vcl×IpkI_pk = (V_ESD − V_cl) / Z, P_pk = V_cl × I_pk
V_cl— Tension d'écrêtage (V)
Z— Impédance du chemin de décharge (Ω)

Comment ça marche

Le calculateur de sélection d'écrêtage ESD détermine les paramètres des diodes TVS pour la protection IEC 61000-4-2, ce qui est essentiel pour les interfaces USB, HDMI, Ethernet et toute interface accessible de l'extérieur. Les ingénieurs en matériel l'utilisent pour sélectionner des dispositifs de protection qui fixent les événements ESD de 8 kV à des tensions sûres (<5,5 V pour les circuits intégrés 3,3 V) dans le temps de montée inférieur à 1 ns de la décharge de contact.

Conformément à la norme IEC 61000-4-2 et au JEDEC JESD22-A114, la protection contre les décharges électrostatiques nécessite une tension d'écrêtage V_cl inférieure à la valeur maximale absolue du circuit intégré tout en gérant des courants de pointe de 15 à 30 A. Pour une décharge au contact de niveau 4 (8 kV), l'IEC 61000-4-2 donne un premier pic de courant de 30 A (3,75 A par kV). Ce calculateur estime I_pk = (V_ESD - V_cl) / Z, où Z est la résistance de décharge : 330 ohms pour le réseau de l'IEC 61000-4-2 (le modèle du corps humain utilise 1500 ohms). Avec V_cl = 15V : I_pk = (8000-15) /330 = 24,2 A, sous le premier pic de 30 A ; vérifiez donc le TVS à 30 A. Puissance maximale P_pk = V_cl x I_pk = 363 W, mais seulement pendant environ 1 ns.

Le taux d'écrêtage V_cl/V_ESD indique l'efficacité de la protection. Selon les notes d'application d'ON Semiconductor, les bonnes diodes TVS atteignent les valeurs V_cl/V_ESD < 0.005 (écrêtage à 15 V pour un événement de 8 kV). Le dépassement de tension pendant la première nanoseconde dépend de la capacité de la jonction TVS. Une capacité plus faible (<0,5 pF) est essentielle pour les interfaces haut débit (USB 3.0, HDMI 2.1) où la capacité entraîne un décalage d'impédance et une dégradation oculaire.

Conformément aux spécifications JEDEC et USB-IF, la protection contre les décharges électrostatiques ne doit pas dégrader l'intégrité du signal. Pour l'USB 3.0 (5 Gbit/s), la capacité du TVS doit être inférieure à 0,5 pF ; pour l'USB 3.2 Gen 2 (10 Gbit/s), inférieure à 0,25 pF. Les appareils TVS à capacité plus élevée sont acceptables pour les interfaces à faible vitesse (USB 2.0 : <5 pF ; GPIO : <15 pF).

Exemple Résolu

Problème : sélectionnez la protection ESD pour le port USB Type-C (logique 3,3 V, contact IEC 61000-4-2 niveau 4, USB 3.2 Gen 2 à 10 Gbit/s).

Solution conforme à la norme IEC 61000-4-2 :

  1. Puissance nominale maximale du circuit intégré : logique 3,3 V avec maximum absolu de 5,5 V (typique pour un CMOS 3,3 V)
  2. Requis V_cl: < 5,5 V au courant ESD de pointe
  3. Contact de niveau 4 : V_ESD = 8 kV ; premier pic selon l'IEC 61000-4-2 = 30 A (3,75 A par kV) ; l'estimation avec 330 ohms, (8000-5,5) /330 = 24,2 A, est plus faible, dimensionnez donc pour 30 A
  4. Recherche de TVS : V_cl < 5,5 V à 30 A, capacité < 0,25 pF pour 10 Gbit/s
  5. Sélectionnez : Nexperia PESD5V0C1BSF (V_cl = 8V à 16A, 0,15 pF, boîtier SOD-923)
  6. Vérifiez à 30 A : V_cl supérieure à 12 V (extrapoler à partir de la courbe de la fiche technique), c'est trop élevé !
  7. Alternative : TI TPD1E10B06 (V_cl = 4,5 V à 30 A, 0,18 pF) — conforme aux exigences
  8. Rapport d'écrêtage : 4,5/8000 = 0,00056 — excellent

Emplacement : à moins de 2 mm des broches du connecteur USB, mise à la terre directement sous la pastille TVS pour une inductance minimale. La résistance en série (10-33 ohms) entre le connecteur et le TVS permet de limiter le dV/dt.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez des réseaux TVS multicanaux pour les connecteurs à plusieurs broches. Selon Nexperia, les réseaux TVS (4 à 8 canaux) permettent d'économiser de l'espace sur la carte et fournissent une capacité adaptée pour les paires différentielles. Coût d'environ 0,10 à 0,30 dollar par chaîne en volume.
  • ✓Ajoutez une résistance en petite série (10 à 47 ohms) entre le connecteur et le TVS. Selon les notes d'application de TI, cela limite le dV/dt en cas d'événement ESD et aide le TVS à s'allumer plus rapidement, réduisant ainsi le dépassement du pic de 20 à 30 %.
  • ✓Vérifiez les performances des décharges électrostatiques à l'aide de tests IEC 61000-4-2 réels : selon ON Semi, la disposition du circuit imprimé affecte la tension d'écrêtage de 10 à 30 %. L'inductance à la terre, la longueur de la trace et le placement des canaux ont tous un impact sur les performances réelles.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Sélection du TVS uniquement en fonction de la tension de contact : dans le mode ON Semi, la tension d'arrêt est une tension de fonctionnement en courant continu, et non une tension d'écrêtage. Un TVS à distance de 5 V peut avoir une tension d'écrêtage de 9 V à 8 kV ESD, endommageant les circuits intégrés de 3,3 V. Vérifiez toujours le V_cl au courant nominal ESD.
  • ✗Ignorer la capacité pour les interfaces haut débit : selon USB-IF, un TVS supérieur à 1 pF entraîne une fermeture des yeux de 5 à 10 % à 5 Gbit/s. Pour les interfaces de plus de 10 Gbit/s, utilisez des baies TVS avec <0,25 pF par ligne. Les TVS standard (5 à 15 pF) ne conviennent qu'aux signaux à faible vitesse.
  • ✗Placer la protection ESD loin du connecteur : conformément aux directives JEDEC, chaque mm de trace entre le connecteur et le TVS permet à la pointe ESD de se propager avant l'écrêtage. Placez le TVS à moins de 2 mm de la broche du connecteur en le connectant directement à la terre sous l'appareil.

Foire Aux Questions

Selon Littelfuse : le TVS ESD est optimisé pour les transitoires rapides (temps de montée inférieur à 1 ns) avec des courants de pointe de 15 à 30 A pour une durée inférieure à 100 ns. Surge TVS gère les transitoires plus lents (forme d'onde 8/20 us selon la norme IEC 61000-4-5) avec des courants de 100 à 1000 A pendant des millisecondes. Les TVS ESD ont une capacité plus faible (0,1 à 5 pF) et une réponse plus rapide ; les TVS à surtension ont une meilleure gestion de l'énergie. Les différents profils de menace nécessitent des appareils différents.
Selon JEDEC : la décharge de contact IEC 61000-4-2 utilise 150 pF/330 ohms avec un temps de montée inférieur à 1 ns et un premier pic de 30 A à 8 kV — test au niveau du système. Le HBM (modèle du corps humain) utilise 100 pF/1500 ohms avec un temps de montée d'environ 10 ns et un pic de 5,3 A à 8 kV — test au niveau des composants. La norme IEC 61000-4-2 est environ 5,6 fois plus sévère en courant de crête. Les produits doivent satisfaire aux deux critères, le cas échéant.
Non recommandé pour les diodes ON Semi : les diodes Zener ont un temps de réponse d'environ 10 ns contre moins de 1 ns pour les diodes TVS. Pendant les 10 premières ns d'un événement ESD, Zener n'assure aucun écrêtage : le pic ESD complet atteint le circuit intégré. Les diodes TVS sont spécialement conçues pour une réponse inférieure à la nanoseconde. Utilisez des zeners uniquement pour les transitoires lents (protection contre les surtensions, pas contre les décharges électrostatiques).
Selon JEDEC : V_cl doit être inférieur à la valeur nominale maximale absolue du circuit intégré protégé, généralement 0,3 V au-dessus de Vcc pour les entrées CMOS. Pour une logique 3,3 V : V_max généralement 3,6 V à 5,5 V selon le processus. Pour une logique de 1,8 V : V_max généralement de 2,0 V à 3,0 V. Consultez la fiche technique du circuit intégré pour connaître la valeur exacte. Ajouter une marge : sélectionnez les TVS dont le V_cl est d'au moins 10 % en dessous du V_max.
Conformément à la norme IEC 61000-4-2 : (1) Effectuez des tests ESD conformément à la norme à l'aide d'un simulateur ESD étalonné ; (2) Appliquez des décharges à tous les ports accessibles aux niveaux requis (généralement niveau 4 = contact 8 kV, air 15 kV) ; (3) Surveillez les perturbations fonctionnelles (erreurs logicielles) et les dommages (pannes graves) ; (4) Mesurez la tension d'écrêtage réelle avec un oscilloscope et une sonde de courant en cas de panne. Tests de pré-conformité disponibles auprès des fournisseurs de générateurs ESD.

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