Seleção de Diodo de Grampeamento ESD

Calcula a corrente de pico, a dissipação de potência e a relação de grampeamento do diodo TVS para proteção ESD IEC 61000-4-2.

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Fórmula

I_pk = (V_ESD − V_cl) / Z, P_pk = V_cl × I_pk

V_cl — Clamp voltage (V)

Z — Discharge path impedance (Ω)

Como Funciona

Os diodos de fixação ESD (descarga eletrostática) protegem os ICs sensíveis de transientes de tensão que excedem suas classificações máximas. Em um evento típico de ESD (IEC 61000-4-2 Nível 4: contato de ±8 kV), a corrente de descarga flui pela impedância Z do caminho em série (normalmente 330 Ω para o modelo HBM ou de descarga por contato). A corrente de pico de fixação é I_pk = (V_ESD − V_cl) /Z, onde V_cl é a tensão de fixação do diodo TVS na corrente de pico. O pico de potência dissipado na braçadeira é P_pk = V_cl × I_pk. Para que o IC sobreviva, a tensão de fixação (V_cl) deve permanecer abaixo da classificação máxima absoluta do IC. A taxa de fixação V_cl/V_ESD indica a eficiência com que o dispositivo se prende. Uma proporção baixa (< 0,01) significa fixação efetiva.

Exemplo Resolvido

Problema: Um evento ESD de contato IEC 61000-4-2 Nível 2 (V_ESD = 4 kV) atinge uma linha USB protegida por uma braçadeira TVS com impedância da série V_cl = 15 V e 330 Ω. Calcule a corrente de pico, a potência máxima e a taxa de fixação.

Solução:

1. Corrente de pico: I_pk = (4000 − 15)/330 = 3985/330 = 12,1 A

2. Potência de pico: P_pk = 15 × 12,1 = 181 W

3. Relação de fixação: V_cl/V_esd = 15/4000 = 0,00375

Resultado: a braçadeira TVS dissipa o pico de 181 W (mas somente por ~ 1 ns), fixando a linha a 15 V. Verifique se o IC tolera 15 V no pino protegido. A baixa taxa de fixação (0,37%) confirma a supressão efetiva.

Dicas Práticas

✓Para IEC 61000-4-2 Nível 4 (± 8 kV), selecione uma TVS com uma classificação de corrente de pulso de pico ≥ 15 A (na largura de pulso relevante) com margem adequada.
✓Use matrizes TVS multicanal para interfaces com muitos pinos (USB, HDMI, Ethernet) para economizar espaço na placa e reduzir a indutância de roteamento.
✓Adicione um resistor de pequena série (10—47 Ω) entre o conector e a TVS para reduzir a tensão de dV/dt na TVS e ajudar a atingir os limites de ESD.

Erros Comuns

✗Selecionar um diodo TVS com base apenas na tensão de afastamento sem verificar a tensão de fixação na corrente de pico — V_cl é sempre maior do que a tensão de afastamento.
✗Ignorando a capacitância do diodo TVS em linhas de alta velocidade — um TVS de baixa capacitância (< 0,5 pF) é necessário para USB 3.0 ou HDMI.
✗Colocar o grampo ESD longe do conector - cada mm de traço entre o conector e o grampo permite que o pico ESD se propague. Coloque os grampos dentro de 2 mm do conector.

Perguntas Frequentes

Qual é a diferença entre TVS ESD e TVS de proteção contra sobretensão?

As pinças ESD TVS são otimizadas para tempos de subida muito rápidos (< 1 ns) e altas correntes de pico (1—30 A) em pulsos muito curtos (< 100 ns). O Surge TVS lida com pulsos mais longos (milissegundos) com maior energia. Ambos são diodos TVS bidirecionais, mas dimensionados para diferentes perfis de ameaças.

Como o modelo de teste IEC 61000-4-2 difere do HBM?

A IEC 61000-4-2 (descarga de contato) usa um modelo de 330 Ω /150 pF com um tempo de subida mais rápido (~ 1 ns) e maior corrente de pico do que o modelo de corpo humano (HBM, 1500 Ω /100 pF). A IEC 61000-4-2 é mais severa e é usada para testes em nível de sistema, enquanto a HBM é usada para testes em nível de componente.

Posso usar um diodo zener em vez de uma TVS para proteção ESD?

Não recomendado. Os diodos Zener não são otimizados para transientes rápidos — eles têm tempos de resposta lentos (normalmente > 10 ns) em comparação com os diodos TVS (< 1 ns). Para proteção contra ESD, use uma TVS classificada para o modelo ESD e nível de energia específicos.

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