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EMC

Calculadora de seleção de diodo ESD TVS

Calcule a tensão de fixação do diodo TVS, a tensão de ruptura, a corrente de pulso de pico e a potência nominal para o projeto do circuito de proteção ESD.

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Fórmula

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

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

Vwm— Tensão de trabalho (V)
VBR— Tensão de ruptura (V)
Vclamp— Tensão da braçadeira (V)
R_HBM— Resistência à descarga HBM 1500Ω (Ω)

Como Funciona

A calculadora de diodo ESD TVS calcula a tensão de ruptura, a tensão de fixação e o tratamento de energia para a seleção do supressor de tensão transitória — essencial para proteger a lógica de 3,3 V/5 V, as interfaces USB/HDMI e a eletrônica automotiva contra eventos ESD da IEC 61000-4-2. Os engenheiros de hardware usam isso para evitar danos ao IC causados por descargas eletrostáticas de 2 a 15 kV que ocorrem durante o manuseio normal do produto.

< IC absolute maximum rating; (3) Peak pulse power P_pk >De acordo com as notas de aplicação do JEDEC JESD22-A114 e da ON Semiconductor, a seleção do diodo TVS requer a combinação de três parâmetros: (1) Tensão de afastamento V_WM > tensão de operação com margem de 10%; (2) Tensão de fixação V_cl na corrente de pico V_cl x I_pk durante o evento ESD. Para IEC 61000-4-2 Nível 4 (contato de 8 kV), I_pk = 24 A por aproximadamente 1 ns.

O Modelo do Corpo Humano (HBM) usa 100 pF/1500 ohm, produzindo I_pk = V_ESD/1500 no pico inicial. Para 2 kV HBM: I_pk = 2000/1500 = 1,33 A. Potência de pico P_pk = V_cl x I_pk; para uma TV com V_cl = 8V: P_pk = 8 x 1,33 = 10,6 W. Os dispositivos TVS são classificados para potência de pico (normalmente 400-600 W para SOD-323, 1500 W para SMC) assumindo a curta duração do pulso por JET DEZ.

De acordo com as folhas de dados Nexperia e Littelfuse, o tempo de resposta do TVS é <1 ns para diodos de avalanche de silício. A capacitância varia de 0,1 pF (baixa capitalização para alta velocidade) a 100+ pF (TVS de potência padrão). Para USB 3.0+, especifique <0,5 pF para manter a integridade do sinal; para trilhos de alimentação, maior capacitância é aceitável.

Exemplo Resolvido

Problema: Selecione TVS para proteger o microcontrolador GPIO de 3,3 V contra 2 kV HBM ESD. O máximo absoluto do IC é 4,0 V em qualquer pino.

Solução por JEDEC:

  1. Tensão de operação: 3,3 V; suporte V_WM > 3,3 x 1,1 = 3,63 V; selecione TVS de 5 V
  2. Parâmetros HBM: 100 pF, 1500 ohm, 2 kV
  3. Corrente de pico: I_pk = 2000/1500 = 1,33 A
  4. V_cl necessário: < 4,0 V (IC máximo absoluto), selecione TVS com V_cl < 4,0 V a 1,33 A
  5. TVs isolantes típicas de 5 V: V_cl de aproximadamente 9 a 12 V a 1 A — MUITO ALTO para no máximo 4,0 V!
  6. Precisa de TVS de baixa fixação: selecione PESD3V3L1BA (TVS de 3,3 V, V_cl = 6,5 V a 1 A)
  7. Ainda está muito alto? Use TVS bidirecionais PESD3V3S1UB (V_cl = 5,5V a 1 A) — atende a 4,0V? Não.
  8. Solução: adicione um resistor da série de 100 ohms ao GPIO; isso cai (1,33 A x 100) = 133 mV, permitindo V_cl até 4,13 V
Alternativa: selecione TVS de trilho a trilho de 3,3 V com menor V_cl ou use a braçadeira de diodo Schottky no trilho Vcc se houver espaço livre de tensão.

Dicas Práticas

  • ✓Escolha TVS com V_cl pelo menos 20% abaixo do máximo absoluto de IC — por ON Semi, a corrente ESD varia +/ -20% em eventos reais; a margem evita danos marginais que causam falhas latentes.
  • ✓Use TVS bidirecionais para sinais que oscilam abaixo do solo — de acordo com Nexperia, TVS unidirecionais apenas fixam transientes positivos; ESD negativo pode danificar o IC por meio da injeção de substrato.
  • ✓Coloque o TVS o mais próximo possível do conector/pino IC que está sendo protegido — de acordo com o JEDEC, cada 10 mm de traço adiciona aproximadamente 10 nH de indutância que cria uma superação de V = L x dI/dt durante o evento ESD.

Erros Comuns

  • ✗Selecionar TVS com base na tensão de afastamento correspondente à tensão operacional — de acordo com Littelfuse, V_cl é normalmente 1,3-1,8 vezes maior do que a tensão de afastamento na corrente nominal. Uma TV isolada de 5 V tem V_cl de aproximadamente 8-9 V, danificando o CMOS de 3,3 V com classificação máxima de 4,0 V.
  • ✗Ignorando a corrente de pico no cálculo de potência — de acordo com o JEDEC, o pulso HBM tem pico de 1,33 A, mas a IEC 61000-4-2 tem pico de 24 A na mesma voltagem. A potência nominal deve corresponder ao modelo ESD que está sendo protegido, não apenas contra a tensão.
  • ✗Usando TVS padrão em sinais de alta velocidade — por USB-IF, TVS padrão (5-50 pF) causam 10 a 20% de fechamento ocular a 480 Mbps e falha completa do sinal a mais de 5 Gbps. Especifique TVS de baixa capitalização (<1 pF) para qualquer sinal acima de 100 MHz.

Perguntas Frequentes

Por Littelfuse: Os diodos TVS protegem os ICs de sobretensão transitória fixando a tensão em um nível seguro enquanto absorvem energia de sobretensão. Eles operam no modo de avaria por avalanche durante eventos de ESD, conduzindo corrente através do dispositivo em vez de através do IC protegido. O tempo de resposta <1 ns fornece proteção durante o rápido aumento inicial dos pulsos de ESD.
De acordo com o JEDEC: a seleção do TVS prioriza: (1) Tensão de fixação na corrente de pico, não apenas na tensão de ruptura; (2) Classificação de potência de pulso de pico para a forma de onda ESD específica (HBM, IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-5); (3) Capacitância para integridade do sinal; (4) Tempo de resposta (<1 ns necessário). Os diodos regulares são selecionados para tensão DC, corrente direta e recuperação reversa — parâmetros totalmente diferentes.
Per ON Semi: O TVS unidirecional fixa tensões positivas acima de V_cl e atua como diodo direto (queda de 0,7 V) para tensões negativas. O TVS bidirecional fixa as duas polaridades em +/- V_cl simetricamente. Use bidirecional para: sinais AC, sinais que oscilam abaixo do solo, linhas de dados com polaridade desconhecida. Use unidirecional para: trilhos de alimentação DC, sinais referenciados ao solo fixo.
Por USB-IF: a capacitância do TVS carrega a linha de sinal, causando incompatibilidade de impedância e reflexão. A 5 Gbps, a capacitância de 1 pF causa aproximadamente 5% de fechamento ocular; 5 pF causa aproximadamente 20%. Para interfaces de alta velocidade (USB 3.0+, HDMI 2.0+, PCIe), especifique TVS com <0,5 pF. Para trilhos de alimentação e sinais de baixa velocidade (<100 MHz), a capacitância é menos crítica — TVS de alta capacitância geralmente têm melhor fixação.
De acordo com o procedimento de teste IEC 61000-4-2: (1) Aplique descargas de ESD em níveis especificados em todos os pontos acessíveis; (2) Verifique se não há distúrbios ou danos funcionais; (3) Para passagens marginais, use um osciloscópio com sonda de corrente de alta largura de banda para medir o V_cl real durante a descarga. Se V_cl exceder as classificações de IC, a seleção ou o layout do TVS precisarão ser aprimorados. Os geradores ESD de pré-conformidade (Teseq, parceiro da EMC) permitem testes internos.

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