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EMC

ESD クランプダイオードの選択

ESD クランプダイオードのピーク電流、電力損失、およびクランプ比を計算します。TVS 保護が IEC 61000-4-2 に準拠していることを確認してください。

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公式

Ipk=(VESD−Vcl)/Z,Ppk=Vcl×IpkI_pk = (V_ESD − V_cl) / Z, P_pk = V_cl × I_pk
V_cl— クランプ電圧 (V)
Z— 放電経路インピーダンス (Ω)

仕組み

ESDクランプ選択カリキュレータは、USB、HDMI、イーサネット、および外部からアクセス可能なインタフェースに不可欠なIEC 61000-4-2保護用のTVSダイオードパラメータを決定します。ハードウェアエンジニアはこれを利用して、接点放電の立ち上がり時間が1ns未満で、8kVのESDイベントを安全な電圧 (3.3V ICの場合は5.5V未満) にクランプする保護デバイスを選択します。

IEC 61000-4-2およびJEDEC JESD22-A114によると、ESD保護には、15〜30Aのピーク電流を処理しながら、ICの絶対最大定格より低いクランプ電圧 V_cl が必要です。レベル4の接触放電（8kV）では、IEC 61000-4-2 は第1ピーク電流を 30 A（1 kV あたり 3.75 A）と規定しています。この計算ツールは I_pk = (V_ESD - V_cl) / Z で推定し、Z は放電抵抗です。IEC 61000-4-2 の放電回路では 330 オーム（人体モデルは 1500 オーム）です。V_cl = 15V の場合: I_pk = (8000-15) /330 = 24.2 A で、第1ピークの 30 A を下回るため、TVS は 30 A で確認してください。ピーク電力 P_pk = V_cl x I_pk = 363 W ですが、続くのは約 1 ns だけです。

クランプ比 V_cl/V_ESD は保護効率を示しています。オン・セミコンダクターのアプリケーションノートによると、優れたTVSダイオードは V_cl/V_ESD < 0.005 (8kVイベントで15Vクランプ) を達成します。最初のナノ秒間の電圧オーバーシュートはTVSの接合容量に依存します。容量がインピーダンスのミスマッチやアイ劣化の原因となる高速インターフェース（USB 3.0、HDMI 2.1）では、低容量（<0.5 pF）が不可欠です。

JEDEC および USB-IF の仕様によると、ESD 保護によってシグナルインテグリティが低下してはなりません。USB 3.0 (5 Gbps) の場合、TVS のキャパシタンスは 0.5 pF 未満、USB 3.2 第 2 世代 (10 Gbps) の場合は 0.25 pF 未満でなければなりません。低速のインターフェイス (USB 2.0:5 pF 未満、GPIO: 15 pF 未満) には、大容量の TVS デバイスでもかまいません。

計算例

問題:USB Type-Cポート (3.3Vロジック、IEC 61000-4-2レベル4コンタクト、USB 3.2 Gen 2、10 Gbps) のESD保護を選択してください。

IEC 61000-4-2 に準拠したソリューション:

  1. IC の最大定格:3.3V ロジック、絶対最大電圧は 5.5 V (標準は 3.3 V CMOS の場合)
  2. 必要なV_cl: ピーク静電気放電電流で 5.5 V 未満
  3. レベル 4 接触放電:V_ESD = 8 kV; IEC 61000-4-2 の第1ピーク = 30 A (1 kV あたり 3.75 A)。330 オームでの推定 (8000-5.5) /330 = 24.2 A はこれより小さいため、30 A で設計します
  4. TVSを検索:30AでV_cl<5.5V、10Gbpsで静電容量が0.25pF未満
  5. 選択:Nexperia PESD5V0C1BSF (V_cl = 16Aで8V、0.15 pF、SOD-923パッケージ)
  6. 30 A で検証:V_cl は 12 V を超えます (データシートの曲線から推定) — 高すぎます!
  7. 代替案:TI TPD1E10B06 (V_cl = 30Aで4.5V、0.18 pF) — 要件を満たしています
  8. クランピング比:4.5/8000 = 0.00056 — 素晴らしい

配置:USB コネクタピンから 2 mm 以内、インダクタンスを最小限に抑えるために TVS パッドの真下に接地してください。コネクタとTVSの間にある直列抵抗 (10～33オーム) は、dV/dtの制限に役立ちます。

実践的なヒント

  • ✓複数ピンのコネクタにはマルチチャネルTVSアレイを使用してください。Nexperiaによると、TVSアレイ（4〜8チャネル）はボードスペースを節約し、差動ペアにも同等の静電容量を提供します。1チャンネルあたりのボリュームコストは約0.10～0.30ドルです。
  • ✓コネクタとTVSの間に小さな直列抵抗（10〜47オーム）を追加します。TIアプリケーションノートによると、これによりESDイベント中のdV/dtが制限され、TVSのターンオンが速くなり、ピークオーバーシュートが20〜30％減少します。
  • ✓実際のIEC 61000-4-2テストでESD性能を検証してください。ON Semiによると、PCBのレイアウトはクランプ電圧に10～ 30% 影響します。接地インダクタンス、トレース長、ビア配置はすべて実際の性能に影響します。

よくある間違い

  • ✗スタンドオフ電圧のみによるTVSの選択— ON Semiによると、スタンドオフ電圧はDC動作電圧であり、クランプ電圧ではありません。5VのスタンドオフTVSは、8kVのESDで9Vのクランプ電圧になり、3.3VのICに損傷を与える可能性があります。定格ESD電流では必ず V_cl を確認してください。
  • ✗高速インタフェースのキャパシタンスを無視すると、USB-IFによると1pFを超えるTVSでは、5Gbpsで5～ 10% のアイ・クロージャが発生します。10 Gbps を超えるインターフェイスの場合は、1 回線あたり 0.25 pF 未満の TVS アレイを使用してください。標準の TVS（5 ～ 15 pF）は低速信号にのみ適しています。
  • ✗ESD保護をコネクタから遠ざけて設置 — JEDECのガイドラインによると、コネクタとTVSの間のトレースがmmになるごとに、クランプ前にESDスパイクが伝播します。TVS をコネクタピンから 2 mm 以内に配置し、デバイスの下に直接接地します。

よくある質問

リトルヒューズによると：ESD TVSは、持続時間が100ns未満でピーク電流が15〜30Aの高速トランジェント（立ち上がり時間が1ns未満）に最適化されています。サージTVSは、100～1000Aの電流でミリ秒単位の低速トランジェント (IEC 61000-4-5に準拠した8/20usの波形) を処理します。ESD TVS は静電容量が小さく (0.1～5 pF)、応答が速く、サージ TVS はエネルギー処理が速くなります。脅威プロファイルが異なれば、必要なデバイスも異なります。
JEDECによると、IEC 61000-4-2による接触放電では、150pF/330オームで立ち上がり時間が1ns未満、8kVで第1ピークが30Aです。これはシステムレベルのテストです。HBM (人体モデル) では、100pF/1500オームを使用して立ち上がり時間は約10nsで、8kVではピーク時5.3Aというコンポーネントレベルのテストを行っています。IEC 61000-4-2はピーク電流が約5.6倍厳しくなっています。該当する場合、製品は両方に合格する必要があります。
ON Semiでは推奨しません。ツェナーダイオードの応答時間は約10nsですが、TVSの応答時間は1ns未満です。ESDイベントの最初の10nsの間、ツェナーはクランプを行わず、ESDスパイク全体がICに到達します。TVS ダイオードは、ナノ秒未満の応答が得られるように特別に設計されています。ツェナーは、低速トランジェント (ESDではなくサージ保護) にのみ使用してください。
JEDECによると、 V_cl は保護対象ICの絶対最大定格以下でなければなりません。CMOS入力の場合、通常はVccより0.3V高くなければなりません。3.3V ロジックの場合: V_max は、プロセスにもよりますが、通常は3.6V～5.5Vです。1.8Vロジックの場合: V_max は標準で2.0Vから3.0Vです。ICのデータシートで正確な値を確認してください。マージンを追加: V_cl のTVSを V_max.より 10% 以上下回るものを選択してください
IEC 61000-4-2に準拠：(1) キャリブレーション済みのESDシミュレータを使用して規格に従ってESDテストを実施する。(2) アクセス可能なすべてのポートに必要なレベル (通常はレベル4 = 接点8kV、空気15kV) で放電を行う。(3) 機能不具合 (ソフトエラー) と損傷 (ハード障害) を監視する。(4) 障害が発生した場合はオシロスコープと電流プローブで実際のクランプ電圧を測定する。プリコンプライアンス・テストはESDジェネレータ・ベンダーが提供しています。

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