Kapazitätswert und Nennspannung bei ESD-Impulsen berechnen

Ich habe eine Eingangsleistungsfilterschaltung.

Es verfügt über ESD-Schutzkondensatoren, die dazu beitragen, die nachgeschaltete Schaltung vor ESD-Impulsen zu schützen.

ESD-Kondensator

ESD-Kondensatoren-Spezifikationen:

C0001, C0002, C0003, C0004 = 47 nF, 100 V, 10 %, 0805

Meine ESD-Impulsspezifikationen:

  • Kontaktentladung: +/-4kV & 150pF / 330Ohm
  • Kontaktentladung: +/-8kV & 150pF / 330Ohm
  • Luftentladung: +/-15kV & 150pF / 330Ohm

Kann mir bitte jemand bei der Durchführung der Berechnungen helfen, um zu rechtfertigen, dass mein Kapazitätswert und die Nennspannung der Kondensatoren innerhalb der vorgesehenen Grenzen liegen?

Mein Verständnis :

Zum Beispiel nehme ich die +/-4kV & 330pF Spezifikation

Q=CV ;

4kV * 150pF = 600nC

Diese Ladung gelangt dann zu den Eingangs-ESD-Kondensatoren:

V=Q/C;

600 nC / 47 nF = 12,76 V (Und sollte ich in diesem Schritt den Kapazitätswert für die Einzelkappe 47 nF berücksichtigen oder sollte ich den äquivalenten Serienkapazitätswert von 23,5 nF berücksichtigen?)

Meine Nennspannung des Kondensators 100 V> 12,76 V ist also für diesen Impuls geeignet.

Ist mein Ansatz richtig?

Meine Fragen :

  1. Die obige Berechnung habe ich nur für positive 4 kV durchgeführt. Kann mir jemand helfen, wie ich verstehe, wann negative 4 kV angelegt werden, und wie ich die Berechnung durchführen soll?

  2. Ich habe nur für die Kapazität die Nennspannung begründet. Wie rechtfertigt man den Kapazitätswert? Kann mir jemand mit der Formel helfen, um den Kapazitätswert zu begründen?

Ich würde dafür sicherlich ein Simulationstool verwenden (wie auch für Ihre spätere Frage zum Einschaltstrom).
Ja, ich würde auch ein Simulationstool verwenden. Aber ich würde es nur vorher theoretisch verstehen / berechnen wollen
Warum setzen Sie diese 47N-Kappen in Reihe? Sie sollten sie alle parallel platzieren.
In Bezug auf was wenden Sie den ESD-Impuls an?
In Bezug auf Boden

Antworten (1)

4-kV-Impuls ab 150 pF in Reihe mit 330 Ohm

Die Ladung beträgt 0,6 uC (wie Sie sagten), und wenn Sie den 330-Ohm-Widerstand (der den Spitzenstrom begrenzt) ignorieren, wird diese Ladung (nach dem Anlegen des Impulses) zwischen den 150-pF- und 2-Serien-47-nF-Kondensatoren verteilt. Angesichts der Tatsache, dass die 150 pF im Vergleich zu 23,5 nF (der Reihenkapazität von zwei 47-nF-Kappen) wirklich klein sind, können Sie (ohne großen Fehler) davon ausgehen, dass die Ladung vollständig von den 23,5 nF "angenommen" wird.

Das bedeutet, dass die Spannung 25,53 Volt beträgt. Also das Doppelte des errechneten Wertes, weil man die beiden 47 nF-Kappen als in Reihe geschaltet betrachten muss.

Dies nimmt jedoch nicht die Reihendiode und zwei weitere Kondensatoren von 47 nF auf. Tatsächlich gilt die obige Berechnung für -4 kV. Bei +4 kV beträgt die Kapazität nur 47 nF (ohne Berücksichtigung des Spannungsabfalls an der Diode), weil 2 Reihenkondensatoren von 47 nF parallel zu einer identischen Reihenschaltung von 2x 47 nF = 47 nF.

Bei einem positiven 4-kV-Impuls beträgt die Spannung also 12,77 Volt und bei -4 kV 25,53 Volt.

Ist mein Ansatz richtig?

Im Großen und Ganzen ja. Und was noch wichtiger ist, es ist insofern konservativ, als wir angenommen haben, dass der 330-Ohm-Widerstand im schlimmsten Fall kurzgeschlossen ist und die Diode (D0002) kurzgeschlossen ist.

Eine Nennspannung der Kondensatoren von 25 Volt oder mehr wäre für dieses Beispiel in Ordnung.

Danke für die Antwort. Aber 2 Fragen. 1. Bei -4 kV sperren die Dioden und nur der erste Satz Kondensatoren wird beeinflusst. Es werden also 25,53 V akkumuliert. Aber der untere Kondensator ist rechts mit Masse verbunden. Ich verstehe also, dass sich die 25,53 V über jede Kappe gleichmäßig in 12,76 V aufteilen, wobei die untere Seite in Bezug auf die obere Seite + ve ist. Die Ladung erhält also sofort einen Weg zur Erde durch den unteren Widerstand. Hab ich recht? Und meine zweite Frage, könnten Sie mir bitte helfen, den Wert der Kapazität zu überprüfen, ob der gewählte geeignet ist? Bitte helfen Sie mir mit dieser Formel.
Unterer Widerstand ??? Welche Formel ???
Entschuldigung, was ich mit unterem Widerstand gemeint habe (es war eigentlich ein unterer Kondensator, lassen Sie mich das bearbeiten) - "Wie wird die Spannung in jedem Kondensator akkumuliert, wenn -4 kV angelegt werden (ich meine die Polarität der Spannung an jedem Kondensator nach dem Impuls ist angewendet) und wie werden diese 25,53 V auf den Boden entladen?Und die zweite Frage lautet, ähnlich wie bei den obigen Schritten zur Validierung der Nennspannung des Kondensators, gibt es eine Möglichkeit / Formel / Berechnung, um meinen ausgewählten Kapazitätswert zu validieren?
Die Polarität jedes Kondensators folgt der Polarität der angelegten Spannung. Die -25,53 Volt bleiben -25,53 Volt, bis etwas sie entlädt. Es kann nicht über die Diode entladen werden, es sei denn, Sie haben einen Ableitwiderstand, es bleibt. Die Formel ist die, die Sie (und ich) verwendet haben, und das heißt, dass die Ladung (immer) erhalten bleibt.
Ja. Der untere Teil des Kondensators ist also mit dem Masseanschluss verbunden und im Vergleich zum oberen Teil des Kondensators positiv. In PCB wird der Erdungsanschluss über die Platine verteilt. Wird die Ladung aufgrund eines gewissen Ebenenwiderstands nicht ausbluten und der Kondensator entladen (wenn man bedenkt, dass die Platine nicht mit Strom versorgt wird). Ist mein Verständnis richtig? Und angenommen, wenn die Schaltung bereits mit Strom versorgt wird und ich diesen ESD-Impuls anlege, wird die negative Spannung über dem Kondensator akkumuliert und die positive Spannung wird mit Masse verbunden. Also, was passiert hier?
Und bitte überprüfen Sie, ob meine Validierung des Kapazitätswerts korrekt ist? Q (anfänglich) = 4 kV * 150 pF = 600 nC. C (endgültig) = 600 nC / 4 kV = 150 pF. Ich brauche also eine Kapazität von mindestens 150 pF. Aber ich habe 47nF, was höher als 150pF ist. Ist meine Berechnung und mein Verständnis korrekt?
Ich kann deinen letzten Kommentar absolut nicht nachvollziehen. Ich verstehe nicht, was Sie feststellen wollen. Diese Formel lautet Q = CV oder C = Q/V und sie sind beide gleich. Der Ebenenwiderstand entlädt den Kondensator nicht. Parallelwiderstand wird.
Ich fordere Sie dringend auf, einen Simulator zu verwenden, um die praktischen Möglichkeiten von Variationen zu erarbeiten, die Ihnen einfallen könnten.
Natürlich werde ich. Was ich in meinem letzten Kommentar vermitteln wollte, ist, den erforderlichen Kapazitätswert für die ESD-Annahme zu validieren. Für den 4-kV-Impuls ist die Ladung Q = 150 pF * 4 kV = 0,6 uC. Diese 0,6 uC sind also die endgültige Ladung, die angewendet wird. Um also zu überprüfen, wie hoch die maximale Kapazität sein sollte, um diesem Impuls standzuhalten, habe ich versucht, die Energieerhaltungsformel zu verwenden, wie Sie gesagt haben. Also Endkapazität, C(final) = 0,6 / 4kV = 150pF. Ich muss also eine Mindestkapazität von 150 pF haben, um diesem ESD-Impuls standzuhalten. Ist meine Berechnung korrekt?
Nein, ich sagte Ladungserhaltung ; Energie wird NICHT gespart. Es gibt keine andere Endkapazität als die, die Sie in Ihrem Diagramm haben, und das ist ein Bündel von 47-nF-Kondensatoren - sie teilen die 0,6-uC-Ladung mit dem 150-pF-Kondensator, wenn eine Verbindung hergestellt wird.
@Newbie Ich denke, die gewünschte Gleichung hängt davon ab, wie hoch die Spannung in der Schaltung werden darf. Die ESD liefert eine Ladung von 0,6 uC. Wenn die maximal zulässige Spannung Vmax ist, dann ist die erforderliche Kapazität C = Q/Vmax. Wenn Sie also Vmax auf 25 V begrenzen möchten, benötigen Sie eine Kapazität von 0,6 uC-25 V = 24 nF.
Ja danke Huisman. Aber in meiner letzten Frage wollte ich nur herausfinden, wie hoch die Spannung in meiner Schaltung sein kann. Könnten Sie dabei helfen?
Wenn ein positiver 4-kV-Impuls angelegt wird, werden die 12,77 V von jedem Kondensator geteilt? Jeder Kondensator hält also 3,1925 V? Und was ist die maximale Spannung, die die Kondensatoren im Fall eines positiven Impulses aushalten? Ist es 4 x 100 V = 400 V? Oder nur 2 x 100 V = 200 V (da die 2 Reihenkondensatorsätze parallel geschaltet sind). 100 V ist die Nennspannung des Kondensators.
Die 12,77 Volt erscheinen dort, wo Sie einen Pfeil namens "ESD-Impuls" haben. Wenn Sie den kleinen Vorwärtsspannungsabfall der Diode ignorieren, können Sie sagen, dass an C0002 und C0004 6,38 Volt und an C0001 und C0003 6,38 Volt anliegen. Wenn die Nennleistung 100 Volt beträgt, können die Kondensatoren jeweils 100 Volt standhalten, was 200 Volt an der mit "ESD-Impuls" gekennzeichneten Stelle bedeutet. Dies setzt voraus, dass die Kondensatoren perfekt aufeinander abgestimmt sind. Wenn sie um 10 % fehlangepasst sind, dh einer 51,7 nF und der niedrigere 42,7 nF beträgt, dann entwickelt sich proportional mehr Spannung über dem Kondensator mit niedrigerer Kapazität.
Könnten Sie mich bitte auch anleiten, wie die Berechnung des ESD-Kondensators durchgeführt wird, wenn der Widerstand der 330-Ohm-Serie nicht ignoriert wird
@Newbie - der 330-Ohm-Widerstand ist für die Ladungsübertragung irrelevant - unabhängig vom Wert wird die gleiche Ladungsmenge übertragen. Unabhängig vom Widerstandswert gehen dabei 50 % der Energie verloren. Der einzige Unterschied, den die 330 Ohm machen, ist die Begrenzung des Spitzenstroms und die Verlängerung der Zeit, in der die Ladung übertragen wird. Wenn Sie diese Informationen benötigen, sollten Sie ein Simulationstool verwenden (wenn ich es tun würde, würde ich es schließlich verwenden). Wenn Sie eine theoretische Antwort benötigen, darf ich vorschlagen, dass Sie eine neue Frage stellen.
Danke für den Kommentar. Lassen Sie mich eine neue Frage aufwerfen
Kapazitätswert und Nennspannung bei ESD-Impulsen berechnen
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