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EMC

Calculateur de sélection de diodes ESD TVS

Calculez la tension d'écrêtage, la tension de claquage et la puissance d'impulsion maximale de la diode TVS. Sélectionnez la protection ESD pour la conception des circuits IEC 61000-4-2.

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Formule

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}

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

Vwm— Tension de fonctionnement (V)
VBR— Tension de claquage (V)
Vclamp— Tension d'écrêtage (V)
R_HBM— Résistance de décharge HBM 1500Ω (Ω)

Comment ça marche

Le calculateur de diodes ESD TVS calcule la tension de claquage, la tension d'écrêtage et la gestion de l'alimentation pour sélectionner un suppresseur de tension transitoire, ce qui est essentiel pour protéger la logique 3,3 V/5 V, les interfaces USB/HDMI et l'électronique automobile contre les événements ESD de la norme IEC 61000-4-2. Les ingénieurs en matériel l'utilisent pour éviter d'endommager les circuits intégrés par des décharges électrostatiques de 2 à 15 kV qui se produisent lors de la manipulation normale du produit.

Conformément aux notes d'application du JEDEC JESD22-A114 et d'ON Semiconductor, la sélection des diodes TVS nécessite la mise en correspondance de trois paramètres : (1) Tension d'écartement V_WM > tension de fonctionnement avec une marge de 10 % ; (2) Tension de bridage V_cl au courant de crête < valeur nominale maximale absolue du circuit intégré ; (3) Puissance d'impulsion maximale P_pk > V_cl x I_pk pendant l'événement ESD. Pour IEC 61000-4-2 niveau 4 (contact 8 kV), I_pk = 30 A pendant environ 1 ns.

Le modèle du corps humain (HBM) utilise 100 pF/1500 ohms, produisant I_pk = V_ESD / 1500 à la surtension initiale. Pour un HBM à 2 kV : I_pk = 2000/1500 = 1,33 A. Puissance de crête P_pk = V_cl x I_pk; pour une diode TVS avec V_cl = 8V : P_pk = 8 x 1,33 = 10,6 W. Les appareils TVS sont conçus pour leur puissance de pointe (généralement 400 à 600 W pour le SOD-323, 1500 W pour le SMC) en supposant une courte durée d'impulsion selon le JEDEC.

Selon les fiches techniques de Nexperia et Littelfuse, le temps de réponse du TVS est inférieur à 1 ns pour les diodes à avalanche au silicium. La capacité varie de 0,1 pF (faible limite pour le haut débit) à plus de 100 pF (TVS à puissance standard). Pour l'USB 3.0+, spécifiez <0,5 pF pour préserver l'intégrité du signal ; pour les rails d'alimentation, une capacité plus élevée est acceptable.

Exemple Résolu

Problème : Sélectionnez TVS pour protéger le microcontrôleur GPIO 3,3 V contre 2 kV HBM ESD. Le maximum absolu du circuit intégré est de 4,0 V sur n'importe quelle broche.

Solution pour JEDEC :

  1. Tension de fonctionnement : 3,3 V ; distance d'écartement V_WM > 3.3 x 1,1 = 3,63 V ; sélectionnez une diode TVS à distance de 5 V
  2. Paramètres HBM : 100 pF, 1500 ohms, 2 kV
  3. Courant de pointe : I_pk = 2000/1500 = 1,33 A
  4. Obligatoire V_cl: < 4.0V (IC max absolu), sélectionnez une diode TVS avec V_cl < 4.0V à 1,33 A
  5. Diodes TVS typiques à distance de 5 V : V_cl environ 9 à 12 V à 1 A — TROP ÉLEVÉ pour 4,0 V max !
  6. Besoin d'une diode TVS à faible écrêtage : sélectionnez PESD3V3L1BA (diode TVS 3,3 V, V_cl = 6,5 V à 1 A)
  7. C'est encore trop haut ? Utiliser une diode TVS bidirectionnelle (PESD3V3S1UB (V_cl = 5,5 V à 1 A) — correspond à 4,0 V ? Non
  8. Solution : ajoutez une résistance de série de 100 ohms au GPIO ; cela baisse (1,33 A x 100) = 133 mV, ce qui permet V_cl jusqu' à 4,13 V

Alternative : sélectionnez des diodes TVS rail-à-rail 3,3 V avec un V_cl plus bas, ou utilisez une diode Schottky d'écrêtage sur le rail Vcc s'il existe une marge de tension.

Conseils Pratiques

  • ✓Choisissez une diode TVS avec V_cl au moins 20 % en dessous du maximum absolu du circuit intégré. Par semi-activation, le courant ESD varie de +/- 20 % en cas d'événement réel ; la marge évite les dommages marginaux qui provoquent des défaillances latentes.
  • ✓Utilisez une diode TVS bidirectionnelle pour les signaux qui oscillent sous le sol. Selon Nexperia, le TVS unidirectionnel ne bloque que les transitoires positifs ; les décharges électrostatiques négatives peuvent endommager le circuit intégré par injection de substrat.
  • ✓Placez le TVS le plus près possible du connecteur/de la broche du circuit intégré à protéger : selon le JEDEC, chaque 10 mm de trace ajoute une inductance d'environ 10 nH, ce qui crée un dépassement de V = L x dI/dt pendant un événement ESD.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Sélection des TVS en fonction de la tension de contact correspondant à la tension de fonctionnement : selon Littelfuse, V_cl est généralement 1,3 à 1,8 fois plus élevé que la tension d'arrêt au courant nominal. Une diode TVS à distance de 5 V a V_cl environ 8 à 9 V, endommageant le CMOS 3,3 V avec une tension nominale maximale de 4 V.
  • ✗Ignorer le courant de crête dans le calcul de la puissance : selon le JEDEC, l'impulsion HBM a une crête de 1,33 A à 2 kV, mais la décharge au contact de la norme IEC 61000-4-2 a un premier pic de 7,5 A à la même tension (3,75 A par kV). La puissance nominale doit correspondre au modèle ESD contre lequel vous êtes protégé, et pas seulement à la tension.
  • ✗Utilisation d'une diode TVS standard sur des signaux haut débit : selon USB-IF, le TVS standard (5 à 50 pF) entraîne une fermeture des yeux de 10 à 20 % à 480 Mbit/s et une défaillance complète du signal à plus de 5 Gbit/s. Spécifiez des TVS à faible capitalisation (<1 pF) pour tout signal supérieur à 100 MHz.

Foire Aux Questions

Selon Littelfuse : les diodes TVS protègent les circuits intégrés des surtensions transitoires en fixant la tension à un niveau sûr tout en absorbant l'énergie de surtension. Ils fonctionnent en mode panne d'avalanche pendant les événements ESD, conduisant le courant à travers l'appareil plutôt qu'à travers le circuit intégré protégé. Le temps de réponse inférieur à 1 ns fournit une protection lors de la montée rapide initiale des impulsions ESD.
Selon JEDEC : la sélection du TVS donne la priorité : (1) à la tension d'écrêtage au courant de pointe, pas seulement à la tension de claquage ; (2) La puissance d'impulsion maximale pour la forme d'onde ESD spécifique (HBM, IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-5) ; (3) La capacité pour l'intégrité du signal ; (4) Le temps de réponse (<1 ns requis). Les diodes ordinaires sont sélectionnées pour la tension continue, le courant direct et la récupération inverse, des paramètres totalement différents.
Per ON Semi : le TVS unidirectionnel bloque les tensions positives supérieures à V_cl et agit comme une diode directe (chute de 0,7 V) pour les tensions négatives. Le TVS bidirectionnel fixe les deux polarités à +/-V_cl de manière symétrique. Utilisez le mode bidirectionnel pour : les signaux AC, les signaux qui oscillent sous le sol, les lignes de données dont la polarité est inconnue. Utilisation unidirectionnelle pour : les rails d'alimentation en courant continu, les signaux référencés à la terre fixe.
Selon USB-IF : la capacité du TVS charge la ligne de signal, provoquant un décalage d'impédance et une réflexion. À 5 Gbit/s, une capacité de 1 pF provoque environ 5 % de fermeture de l'œil ; 5 pF provoque environ 20 %. Pour les interfaces haut débit (USB 3.0+, HDMI 2.0+, PCIe), spécifiez les TVS avec <0,5 pF. Pour les rails d'alimentation et les signaux à faible vitesse (<100 MHz), la capacité est moins critique ; les TVS à capacité plus élevée ont souvent un meilleur écrêtage.
Conformément à la procédure de test IEC 61000-4-2 : (1) Appliquez des décharges ESD à des niveaux spécifiés à tous les points accessibles ; (2) Vérifiez qu'il n'y a pas de perturbation ou de dommage fonctionnel ; (3) Pour les passes marginales, utilisez un oscilloscope avec une sonde de courant à large bande passante pour mesurer la valeur réelle V_cl pendant la décharge. Si le V_cl 1 dépasse les valeurs nominales du circuit intégré, la sélection ou la disposition du TVS doit être améliorée. Les générateurs ESD de pré-conformité (Teseq, partenaire EMC) permettent des tests en interne.

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