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EMC

ESD TVS ダイオード選択計算ツール

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 (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}

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。

JEDEC JESD22-A114およびON Semiconictor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）ピーク電流でのクランプ電圧 V_cl V_cl x I_pk 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 コンタクト) では、 I_pk = 30 A で約 1 ナノ秒かかります。

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. V_cl = 8V の TVS のピーク電力 P_pk = V_cl x I_pk; : P_pk = 8 x 1.33 = 10.6 W。TVSデバイスの定格は、JEDEC準拠のパルス持続時間が短いと仮定すると、ピーク電力 (通常、SOD-323の場合は400〜600W、SMCでは1500W) です。

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) までさまざまです。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 = 3.63V、5V スタンドオフTVS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. V_cl: < 4.0V (ICの絶対最大値) が必要です。1.33 A で V_cl < 4.0V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 1Aで約9-12V — 最大4.0Vには高すぎる!
  6. クランプ電圧の低いテレビが必要:PESD3V3L1BA (3.3Vテレビ、1Aで V_cl = 6.5V) を選択してください。
  7. まだ高すぎる？双方向テレビを使う (PESD3V3S1UB (V_cl = 5.5V、1A) — 4.0Vに対応?いいえ。
8。解決策:GPIOに100オームの直列抵抗を追加すると、(1.33A x 100) = 133mVに低下し、 V_cl で最大4.13Vまで使用できるようになります。

代替案： 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

  • ✓ICの絶対最大値より少なくとも 20% 低い V_cl のTVSを選択してください。ON Semi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

  • ✗動作電圧と一致するスタンドオフ電圧に基づいてTVSを選択する—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のスタンドオフテレビの V_cl は約8〜9Vで、最大定格4.0Vの3.3V CMOSに損傷を与えます。
  • ✗電力計算でピーク電流を無視する — JEDECによると、HBMパルスは2 kVで1.33Aのピークですが、IEC 61000-4-2の接触放電は同じ電圧で第1ピークが7.5A（1 kV あたり 3.75 A）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。
  • ✗高速信号に標準TVSを使用する — USB-IFによると、標準TVS（5～50pF）では、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によると：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によると、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 TVS 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 TVS 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の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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