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EMC

Calculadora de seleção de diodo ESD TVS

Calcule a tensão de fixação do diodo TVS, a tensão de ruptura e a potência de pulso de pico. Selecione a proteção ESD para o projeto de circuito IEC 61000-4-2.

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Fórmula

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}

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

Vwm— Tensão de trabalho (V)
VBR— Tensão de ruptura (V)
Vclamp— Tensão de grampeamento (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.

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 distância V_WM > tensão operacional com margem de 10%; (2) Tensão de fixação V_cl na corrente de pico < classificação máxima absoluta do IC; (3) Potência de pulso de pico P_pk > V_cl x I_pk durante o evento ESD. Para IEC 61000-4-2 Nível 4 (contato de 8 kV), I_pk = 30 A por aproximadamente 1 ns.

O Human Body Model (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 TVS 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 de acordo com JEDEC.

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 segundo JEDEC:

  1. Tensão de operação: 3,3 V; Standoff 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. Necessário V_cl: < 4,0 V (IC máximo absoluto), selecione TVS com V_cl < 4,0 V a 1,33 A
  5. TVS isolantes de 5 V típicas: V_cl aproximadamente 9-12 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 matemática x 7 x até 4,13 V

Alternativa: selecione TVS de trilho a trilho de 3,3 V com Lower V_cl, ou use um diodo Schottky de grampeamento 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 — segundo 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, o V_cl é normalmente 1,3-1,8x maior do que a tensão de impasse na corrente nominal. Um TVS de isolamento 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 a 2 kV, mas a descarga por contato da IEC 61000-4-2 tem um primeiro pico de 7,5 A na mesma tensão (3,75 A por kV). 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 — segundo 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

Segundo 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 ambas as 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.
Segundo 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 Actual V_cl durante a descarga. Se o V_cl exceder as classificações de IC, a seleção ou o layout da TVS precisarão ser aprimorados. Os geradores ESD de pré-conformidade (Teseq, parceiro da EMC) permitem testes internos.

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