EMC

ESD TVS 다이오드 선택 계산기

ESD 보호 회로 설계를 위한 TVS 다이오드 클램핑 전압, 브레이크다운 전압, 피크 펄스 전류 및 정격 전력을 계산합니다.

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공식

I_{pp} = \frac{V_{ESD}}{R_{HBM}},\quad P_{pk} = V_{clamp} \times I_{pp}

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

Vwm— 작동 전압 (V)

VBR— 브레이크다운 전압 (V)

Vclamp— 클램프 전압 (V)

R_HBM— HBM 방전 저항 1500Ω (Ω)

작동 방식

ESD TVS 다이오드 계산기는 과도 전압 억제기 선택을 위해 항복 전압, 클램핑 전압 및 전력 처리를 계산합니다. 이는 IEC 61000-4-2 ESD 이벤트로부터 3.3V/5V 로직, USB/HDMI 인터페이스 및 자동차 전자 장치를 보호하는 데 필수적입니다.하드웨어 엔지니어는 이를 사용하여 일반적인 제품 취급 중에 발생하는 2-15kV 정전기 방전으로 인한 IC 손상을 방지할 수 있습니다.

< IC absolute maximum rating; (3) Peak pulse power P_pk >JEDEC JESD22-A114 및 ON 세미컨덕터 애플리케이션 노트에 따르면 TVS 다이오드를 선택하려면 (1) 스탠드오프 전압 V_WM > 마진이 10% 인 작동 전압, (2) ESD 이벤트 중 피크 전류에서의 클램핑 전압 V_Cl x i_pK 등 세 가지 파라미터를 일치시켜야 합니다.IEC 61000-4-2 레벨 4 (8kV 접점) 의 경우 약 1ns의 경우 i_pK = 24A입니다.

인체 모델 (HBM) 은 100pF/1500옴을 사용하므로 초기 서지 시 i_pK = V_ESD/1500이 생성됩니다.2kV HBM의 경우: i_PK = 2000/1500 = 1.33A. 피크 전력 p_pK = v_CL x i_PK, v_CL = 8V: p_pK = 8 x 1.33 = 10.6W로 TVS 장치는 JEDEC당 펄스 지속 시간이 짧다는 가정 하에 피크 전력 (일반적으로 SOD-323 400-600W, SMC의 경우 1500W) 으로 평가됩니다.

Nexperia 및 Littelfuse 데이터시트에 따르면 실리콘 애벌랜치 다이오드의 TVS 응답 시간은 1ns 미만입니다.커패시턴스 범위는 0.1pF (고속의 경우 로우 캡) 에서 100+pF (표준 전력 TVS) 까지입니다.USB 3.0+의 경우 신호 무결성을 유지하려면 0.5pF 미만을 지정하고, 전원 레일의 경우 더 높은 커패시턴스를 사용할 수 있습니다.

계산 예제

문제: 2kV HBM ESD로부터 3.3V 마이크로컨트롤러 GPIO를 보호하려면 TVS를 선택하십시오.IC 절대 최대값은 모든 핀에서 4.0V입니다.

JEDEC에 따른 솔루션: 1.작동 전압: 3.3V, 스탠드오프 V_WM > 3.3 x 1.1 = 3.63V, 5V 스탠드오프 TVS 선택 2.HBM 파라미터: 100 pF, 1500 옴, 2 킬로볼트 3.피크 전류: i_PK = 2000/1500 = 1.33A 4.필수 V_Cl: < 4.0V (IC 절대 최대), 1.33A에서 v_Cl이 4.0V 미만인 일부 TVS 5.일반적인 5V 스탠드오프 TV: V_Cl은 1A에서 약 9-12V — 최대 4.0V에 비해 너무 높습니다! 6.로우 클램핑 TV가 필요하세요: PESD3V3L1BA (3.3V TVS, V_CL = 1A에서 6.5V) 을 선택하세요 7.아직도 너무 높나요?양방향 TVS PESD3V3S1UB 사용 (v_CL = 1A에서 5.5V) — 4.0V를 충족합니까?아니요. 8.해결 방법: GPIO에 100옴 시리즈 저항을 추가하면 (1.33A x 100) = 133mV로 떨어지므로 V_Cl은 최대 4.13V까지 사용할 수 있습니다.

대안: V_Cl이 낮은 3.3V 레일-투-레일 TV를 선택하거나 전압 헤드룸이 있는 경우 Vcc 레일에 쇼트키 다이오드 클램프를 사용하십시오.

실용적인 팁

✓V_Cl이 IC 절대 최대값보다 20% 이상 낮은 TV를 선택하십시오. ON 세미당 ESD 전류는 실제 상황에서 +/ -20% 변하므로 마진은 잠재적 장애를 유발하는 미미한 손상을 방지합니다.
✓지하로 흔들리는 신호에는 양방향 TVS를 사용하십시오. Nexperia에 따르면 단방향 TVS는 양의 과도 현상만 클램프하고 음의 ESD는 기판 주입을 통해 IC를 손상시킬 수 있습니다.
✓TVS를 보호 중인 커넥터/IC 핀에 최대한 가깝게 배치하십시오. JEDEC에 따르면 10mm 트레이스마다 약 10nH 인덕턴스가 추가되어 ESD 이벤트 시 V = L x di/dt 오버슈트가 발생합니다.

흔한 실수

✗작동 전압에 맞는 스탠드오프 전압을 기반으로 TVS 선택 — Littelfuse에 따르면 V_CL은 일반적으로 정격 전류에서의 스탠드오프 전압보다 1.3-1.8배 높습니다.5V 스탠드오프 TVS의 V_Cl은 약 8-9V로 최대 정격 4.0V의 3.3V CMOS에 피해를 줍니다.
✗전력 계산 시 피크 전류는 무시합니다. JEDEC에 따르면 HBM 펄스의 피크는 1.33A이지만 IEC 61000-4-2는 동일한 전압에서 피크 전류가 24A입니다.전력 등급은 전압뿐만 아니라 보호 대상 ESD 모델과 일치해야 합니다.
✗고속 신호에 표준 TV를 사용할 경우 — USB-IF에 따라 표준 TVS (5-50pF) 의 경우 480Mbps에서 10~ 20% 의 아이 클로징이 발생하고 5Gbps 이상에서는 완전한 신호 장애가 발생합니다.100MHz를 초과하는 모든 신호에는 로우 캡 TVS (<1pF) 를 지정하십시오.

자주 묻는 질문

TVS 다이오드의 주요 기능은 무엇입니까?

Littelfuse당: TVS 다이오드는 서지 에너지를 흡수하면서 전압을 안전한 수준으로 고정하여 과도 과전압으로부터 IC를 보호합니다.ESD 발생 시 애벌랜시 브레이크다운 모드로 작동하여 보호된 IC를 통하지 않고 장치를 통해 전류를 전도합니다.응답 시간 1ns 미만은 ESD 펄스의 초기 빠른 상승 시 보호 기능을 제공합니다.

TVS 다이오드 선택은 일반 다이오드 선택과 어떻게 다릅니까?

JEDEC에 따르면 TVS 선택의 우선 순위는 (1) 브레이크다운 전압뿐만 아니라 피크 서지 전류에서의 클램핑 전압, (2) 특정 ESD 파형의 피크 펄스 전력 등급 (HBM, IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-5), (3) 신호 무결성을 위한 커패시턴스, (4) 응답 시간 (<1ns 필요) 입니다.DC 전압, 순방향 전류 및 역방향 복구를 위해 일반 다이오드가 선택됩니다. 이는 완전히 다른 파라미터입니다.

단방향 TVS와 양방향 TVS의 차이점은 무엇입니까?

Per ON Semi: 단방향 TVS는 V_Cl 이상의 양의 전압을 클램핑하고 음의 전압에 대해 순방향 다이오드 (0.7V 드롭) 역할을 합니다.양방향 TVS는 양 극성을 +/-V_cl로 대칭적으로 고정합니다.AC 신호, 지하로 흔들리는 신호, 극성을 알 수 없는 데이터 회선에 양방향을 사용하십시오.DC 전원 레일, 고정 접지를 참조하는 신호에는 단방향을 사용하십시오.

TVS 선택에 커패시턴스가 중요한 이유는 무엇입니까?

USB-IF당: TVS 커패시턴스가 신호 라인을 로드하여 임피던스 불일치 및 반사를 유발합니다.5Gbps에서 1pF 커패시턴스는 약 5% 의 아이 클로징을 유발하고, 5pF는 약 20% 의 아이 클로징을 유발합니다.고속 인터페이스 (USB 3.0+, HDMI 2.0+, PCIe) 의 경우 0.5pF 미만의 TVS를 지정하십시오.파워 레일 및 저속 신호 (100MHz 미만) 의 경우 커패시턴스는 덜 중요합니다. 즉, 커패시턴스가 높은 TVS일수록 클램핑 성능이 좋은 경우가 많습니다.

설계에서 TVS 보호를 확인하려면 어떻게 해야 합니까?

IEC 61000-4-2에 따른 테스트 절차: (1) 접근 가능한 모든 지점에 지정된 수준의 ESD 방전을 적용하고, (2) 기능 장애 또는 손상이 없는지 확인합니다. (3) 한계 패스의 경우 고대역폭 전류 프로브가 있는 오실로스코프를 사용하여 방전 중 실제 V_Cl을 측정합니다.V_CL이 IC 등급을 초과하는 경우 TVS 선택 또는 레이아웃 개선이 필요합니다.사전 컴플라이언스 ESD 발생기 (Tseq, EMC 파트너) 를 통해 사내 테스트가 가능합니다.

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