Wie wählt man die Nennspannung des Kondensators für den ESD-Schutz?

Reicht es aus, einen Kondensator zu wählen, der der Endspannung standhält?

Das ist es absolut, aber ich denke, wo Sie vielleicht verwirrt sind, ist die Definition der "Endspannung". Es ist nicht die Anfangsspannung von 8 kV, die der ESD-Generator in einem offenen Stromkreis erzeugen kann; Es ist die Spannung, die aufgrund des internen Serienwiderstands des ESD-Generators / der ESD-Pistole über dem Kondensator erscheint (viel, viel weniger als 8 kV). Dieser Innenwiderstand (und der fragliche ESD-Kondensator) bilden ein Tiefpass-RC-Netzwerk, das den Spannungsaufbau über diesem ESD-Kondensator erheblich begrenzt.

Im Bild unten ist der 150-pF-Kondensator auf (sagen wir) 8 kV aufgeladen. Dies sind interne ESD-Pistolenkomponenten und unterliegen der vollen kV-Einstufung, aber das ist nicht Ihr Problem. Die wichtige Komponente (immer noch intern in der ESD-Pistole) ist der 330-Ω-Widerstand. Es begrenzt die Spitzenspannung, die über Ihrem ESD-Schutzkondensator erzeugt werden kann. Und natürlich müssen Sie einen Wert für den ESD-Kondensator wählen, der die Spannung ausreichend begrenzt, um Ihren anfälligen Schaltkreis zu schützen, UND der unter die maximale Nennspannung des ESD-Kondensators begrenzt ist.

(Bildquelle: Keith Armstrong – Designtechniken für EMV – Teil 6 )

Wo finde ich diese Informationen für eine bestimmte Gehäusegröße, Kapazität und Nennspannung?

Sie werden es nicht finden, weil Sie es berechnen müssen. Die Hersteller wissen nicht, was Ihre Opferschaltung sicher aushalten kann, und können Ihnen daher nicht sagen, welchen Kondensatorwert Sie wählen sollen. Da es auch einige unterschiedliche ESD-Anforderungsspezifikationen gibt, macht dies definitive Empfehlungen unwahrscheinlich.

Wenn Sie jedoch einen Simulator haben (heutzutage sehr empfehlenswert für Designer aller Stufen), ist es einfach, die Anfangsbedingungen für den 150-pF-Kondensator auf 8 kV einzustellen und zu sehen, auf welchen Wert die Spannung an Ihrem potenziellen ESD-Kondensator basierend auf dem Kapazitätswert ansteigt .

In Bezug auf die in der Frage vorgeschlagenen Kondensatoren ist das Datenblatt bezüglich der Teilenummern etwas zweideutig, aber ich denke dennoch, dass sie mit diesem Bereich auf der Kemet-Website übereinstimmen . Sie werden von Kemet als "SMD ESD Rated Commercial Grade" beschrieben, und wenn ich mich auf ein 10 nF 0603-Teil konzentriere , hat es eine ESR-Kurve wie diese: -

Grundsätzlich beträgt der ESR 100 mΩ und dies sollte bei Berechnungen berücksichtigt werden oder einfach eine Simulation mit diesem ESR-Wert durchgeführt werden. Sie können auch die ESL überprüfen: -

Es ist sehr gut; Es steigt nicht um 500 pH (Pico Henrys), aber Sie sollten es trotzdem in Ihrer Simulation verwenden, nur um sicherzustellen, dass es keine extravaganten Klingelartefakte gibt, die Probleme mit Spannungsüberschreitungen verursachen könnten.

Sie sollten sich auch ansehen, was Kemet über die Spitzenspannungen und -ströme sagt. Dies gilt nicht nur für ESD, sondern auch für den Normalbetrieb: -

Berücksichtigen Sie all diese Dinge und Sie sollten bereit sein. Wie auch immer, hier ist eine schnelle Simulation eines 10-nF-Kondensators, in den entladen wird. Ich habe mir erlaubt, den Ladevorgang in den 150-pF-Kondensator zu beschleunigen, nur um die Dinge besser sichtbar zu machen: -

Und hier sind die Wellenformen: -

Unter diesen Umständen steigt der ESD-Kondensator auf 195 an$\color{red}{\boxed{^1}}$Volt für eine geschlossene Schalterdauer von 10 μs (die bei 0,5 ms beginnt). Ich bin sicher, wenn Sie einen Simulator hätten, könnten Sie dies reproduzieren und ESR und ESL zum ideal verwendeten Kondensatormodell hinzufügen.

$\color{red}{\boxed{^1}}$195 Volt sind etwas hoch, da ich mir die Freiheit genommen habe, den 50-MΩ-Widerstand auf 100 kΩ zu reduzieren. Ich nahm mir die Freiheit, die Ladezeit von 150 pF zu beschleunigen, damit das Simulationsergebnis besser sichtbar war. In der Realität wäre bei einer Grundladungsumverteilung vom 150-pF-Kondensator zum 10-nF-Kondensator die Spitzenspannung: -

Die Kondensatoren müssen eine Nennspannung haben, die höher ist als die höchste DC-Spannung, die jemals während des normalen Betriebs an diesem Kondensator anliegt .

Die Idee eines angemessenen ESD-Schutzes mit Kondensatoren ist, dass die Spannung gar nicht erst sehr hoch wird. Die Kondensatoren sollen die durch das ESD-Ereignis injizierte Ladung aufnehmen.

Wenn Ihr ESD-Ereignis immer noch beispielsweise 100 V über die Kondensatoren liefern würde (und Sie aus diesem Grund 150-V-Kondensatoren verwenden würden), dann ** würden Sie den Punkt verfehlen, an dem diese Kondensatoren ESD-Schutz bieten. Diese 100 V hätten Ihren IC bereits beschädigt!

Sie müssen also Kondensatoren hinzufügen, die groß genug sind, um genügend Ladung zu absorbieren, damit die Spannung das Schadensniveau nicht überschreitet.

Beachten Sie, dass alle ICs auch über einen internen ESD-Schutz verfügen. Es empfiehlt sich jedoch, sich nicht darauf zu verlassen und nach Möglichkeit Ihren eigenen Schutz hinzuzufügen.

Das hängt von den Klemmdioden ab, die sich am selben Knoten befinden. Für diskrete TVS-Dioden finden Sie normalerweise Grafiken der Klemmspannung im Vergleich zum Strom. Wenn Sie sich auf IC-interne Dioden verlassen, sind diese Informationen wahrscheinlich nicht gut dokumentiert.

Die Situation, dass die volle ESD-Ladung in den Kondensator fließt, kann auftreten, wenn Sie eine große Serienimpedanz nach der ESD-Kappe haben. In diesem Fall können Sie den endgültigen Spannungsanstieg als volle ESD-Ladung dividiert durch die Kapazität berechnen. Allerdings ist diese Situation meiner Meinung nach eher unwahrscheinlich, da die Serienimpedanz ausreichen sollte, um ESD-Schäden in Verbindung mit IC-Dioden zu verhindern.