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EMC

ESD TVS ダイオード選択カリキュレータ

TVSダイオードのクランプ電圧、ブレークダウン電圧、およびピークパルスパワーを計算します。IEC 61000-4-2 の回路設計には静電気防止対策を選択してください。

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公式

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

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

Vwm— 動作電圧 (V)
VBR— ブレークダウン電圧 (V)
Vclamp— クランプ電圧 (V)
R_HBM— HBM の放電抵抗値 1500Ω (Ω)

仕組み

ESD TVSダイオードカリキュレータは、3.3V/5Vロジック、USB/HDMIインターフェース、および車載電子機器をIEC 61000-4-2 ESDイベントから保護するために不可欠な過渡電圧サプレッサを選択するためのブレークダウン電圧、クランプ電圧、および電力処理を計算します。ハードウェアエンジニアはこれを利用して、通常の製品取り扱い中に発生する2～15 kVの静電気放電によるICの損傷を防ぎます。

< IC absolute maximum rating; (3) Peak pulse power P_pk >JEDEC JESD22-A114およびオン・セミコンダクターのアプリケーション・ノートによると、TVSダイオードの選択には、(1) スタンドオフ電圧V_WM > 動作電圧 10% のマージン、(2) ESDイベント中のピーク電流V_CL x i_PKでのクランプ電圧V_CLの3つのパラメータを一致させる必要があります。IEC 61000-4-2 レベル 4 (8 kV 接触) の場合、i_PK = 24 A で約 1 秒かかります。

ヒューマンボディモデル (HBM) は 100 pF/1500 オームを使用し、初期サージ時には i_PK = V_ESD/1500 を生成します。2 kV HBM の場合:i_PK = 2000/1500 = 1.33 A. ピークパワー P_PK = V_CL x i_PK; V_CL = 8V のテレビの場合:P_PK = 8 x 1.33 = 10.6 W。TVS デバイスの定格は、短いパルスを想定した場合のピーク電力 (通常、SOD-323 では 400-600 W、SMC では 1500 W) です。JEDEC ごとの所要時間。

NexperiaとLittelfuseのデータシートによると、シリコンアバランシェダイオードのTVS応答時間は1ns未満です。静電容量の範囲は 0.1 pF (高速の場合は低容量) から 100 pF 以上 (標準電源 TVS) です。USB 3.0 以降では、シグナルインテグリティを維持するために 0.5 pF 未満に指定します。パワーレールの場合は、これより大きい容量を許容できます。

計算例

問題:3.3VマイクロコントローラのGPIOを2kV HBM ESDから保護するには、TVSを選択してください。IC の絶対最大値はどのピンでも 4.0V です。

JEDEC による解決策: 1.動作電圧:3.3V、スタンドオフ V_WM > 3.3 x 1.1 = 3.63 V、スタンドオフ 5V テレビを選択 2.HBM パラメータ:100 pF、1500 オーム、2 kV 3.ピーク電流:i_PK = 2000/1500 = 1.33 A 4.必要なV_CL: 4.0V 未満 (IC の絶対最大値)。1.33 A で V_CL が 4.0V 未満のテレビを選択してください 5.標準的な5Vスタンドオフテレビ:V_Clは1Aで約9～12V — 最大4.0Vには高すぎます! 6.クランプ電圧の低いテレビが必要:PESD3V3L1BA (3.3V テレビ、V_CL = 6.5V、1 A) を選択してください 7.まだ高すぎる？双方向テレビPESD3V3S1UB (V_CL = 1Aで5.5V) を使う — 4.0Vに適合？いいえ。 8。解決策:GPIO に 100 オームの直列抵抗を追加すると、(1.33 A x 100) = 133mV に低下し、V_CL は 4.13 V まで低下します。

代替方法：V_CLの低い3.3Vのレール・トゥ・レールTVSを選択するか、電圧ヘッドルームがある場合はショットキー・ダイオード・クランプをVccレールに使用してください。

実践的なヒント

  • ✓V_CLがICの絶対最大値より少なくとも 20% 低いTVSを選択してください。ON Semiあたりでは、ESD電流は実際には+/-20% 変動します。マージンにより、潜在的な障害の原因となるわずかな損傷を防ぐことができます。
  • ✓地上下でスイングする信号には双方向TVSを使用してください。Nexperiaによると、単方向TVSは正のトランジェントのみをクランプし、負のESDは基板注入によってICに損傷を与える可能性があります。
  • ✓TVSは、保護対象のコネクタ/ICピンのできるだけ近くに配置してください。JEDECによると、トレースが10mmになるごとに約10 nHのインダクタンスが増加し、ESDイベント中にV = L x di/dTのオーバーシュートが発生します。

よくある間違い

  • ✗スタンドオフ電圧と動作電圧のマッチングに基づいてTVSを選択 — Littelfuseによると、V_CLは通常、定格電流でのスタンドオフ電圧の1.3〜1.8倍です。5Vのスタンドオフ型テレビのV_CLは約8～9Vで、最大定格が4.0Vの3.3V CMOSにダメージを与えます。
  • ✗電力計算のピーク電流は無視してください。JEDECによると、HBMパルスは1.33Aのピークですが、IEC 61000-4-2は同じ電圧で24Aのピークになります。電力定格は、電圧だけでなく、保護対象の ESD モデルと一致している必要があります。
  • ✗USB-IFあたりの標準TVS（5～50pF）では、標準TVS（5～50pF）を高速信号に使用すると、480Mbpsで10～ 20% のアイクロージャが発生し、5Gbps以上で信号障害が発生します。100 MHz を超えるすべての信号には、低容量の TVS (<1 pF) を指定してください。

よくある質問

Littelfuseによると：TVSダイオードは、サージエネルギーを吸収しながら電圧を安全なレベルにクランプすることにより、ICを過渡過電圧から保護します。ESDイベント中はアバランシェ・ブレークダウン・モードで動作し、保護されたICではなくデバイスに電流を流します。応答時間が 1 ns 未満なので、ESD パルスの初期急激な立ち上がり時も保護されます。
JEDECごと：TVSの選択では、（1）ブレークダウン電圧だけでなくピークサージ電流でのクランプ電圧、（2）特定のESD波形のピークパルス電力定格（HBM、IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-5）、（3）シグナルインテグリティのためのキャパシタンス、（4）応答時間（1ns未満）が優先されます。DC電圧、順電流、逆回復には通常のダイオードが選択されており、パラメータはまったく異なります。
ON Semiあたり：単方向TVSはV_CLを超える正電圧をクランプし、負電圧の場合は順方向ダイオード（0.7Vドロップ）として機能します。双方向TVSは両方の極性を+/-V_CLで対称的にクランプします。双方向信号は、AC 信号、地表下で振れる信号、極性が不明なデータ線などに使用します。DC電源レール、固定グランドを基準とする信号には単方向信号を使用してください。
USB-IF単位：TVSのキャパシタンスは信号線に負荷をかけ、インピーダンスのミスマッチと反射を引き起こします。5 Gbps では、1 pF の静電容量によって約 5% のアイ・クロージャが発生し、5 pF では約 20% のアイ・クロージャが発生します。高速インターフェイス (USB 3.0 以上、HDMI 2.0+、PCIe) の場合は、0.5 pF 未満のテレビを指定してください。電源レールと低速信号 (100 MHz 未満) の場合、静電容量はそれほど重要ではありません。大抵は、大容量の TV の方がクランプ性能が優れています。
IEC 61000-4-2のテスト手順に従い、（1）アクセス可能なすべてのポイントに指定レベルのESD放電を適用します。（2）機能上の異常や損傷がないことを確認します。（3）限界パスの場合は、高帯域幅の電流プローブを備えたオシロスコープを使用して放電中の実際のV_CLを測定します。V_CLがIC定格を超える場合は、TVSの選択またはレイアウトを改善する必要があります。プリコンプライアンス ESD ジェネレータ (Teseq、EMC パートナー) は社内でのテストを可能にします。

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