Auswahl eines TVS für den ESD-Schutz

Ich arbeite an einem Design, das anfällig für ESD ist. Das Produkt wird in der Hand gehalten und von einer 5-V-Steckdose über einen Hohlbuchsenanschluss mit Strom versorgt. Die 5V versorgen einige ICs mit Strom. Zusätzlich gibt es einige Drucktasten, die mit verschiedenen ICs verbunden sind. Ich möchte sowohl den Barrel-Jack-Eingang als auch die Tasteneingänge vor ESD-Transienten schützen, aber ich habe Probleme, ein geeignetes Fernsehgerät zu finden, und habe mich gefragt, ob mein Ansatz falsch ist. Letztendlich plane ich, einen Fernseher für die 5-V-Versorgung und einen für jeden Druckknopf zu haben.

Von den ICs im Design hat der empfindlichste eine absolute maximale Vcc und Vin (von Drucktasten) von 6 V. Folgendes habe ich bisher gemacht:

  1. Wählen Sie Vstandoff für das TVS. Da die Nennbetriebsspannung der Schaltung 5 V beträgt, benötige ich einen Abstand, der gleich oder etwas größer als 5 V ist (das absolute Maximum der ICs beträgt 6 V).
  2. Wählen Sie die Durchbruchspannung von TVS. Da die minimale absolute maximale V der ICs 6 V beträgt, muss meine Durchbruchspannung zwischen der Abstandsspannung und 6 V liegen. Es fällt mir auf, dass der besondere Wert hier nicht so kritisch ist.
  3. Wählen Sie Vclamp des TVS. Dies scheint der kritischste Parameter zu sein. Soweit ich weiß, ist Vclamp des TVS der maximale Spannungsabfall über dem TVS bei einem bestimmten Stromimpuls. Wenn ich möchte, dass mein Gerät mit verschiedenen ESD-Standards kompatibel ist (z. B. +/-8 kV 8 x 20 uS-Impuls gemäß IEC61000-4-2), dann brauche ich eine Klemmspannung, die geringer ist als das absolute Maximum meiner ICs - z kleiner oder gleich 6 V (aber offensichtlich größer als 5 V). Schließlich ist die Klemmspannung die Spannung, die von den ICs gesehen wird.
  4. Stellen Sie sicher, dass die Spitzenimpulsleistungsanforderungen für TVS zufriedenstellend sind.

Unter der Annahme, dass das oben Gesagte zutrifft, habe ich eine Menge Zeit, einen Fernseher zu finden, der die Anforderungen für mein Design erfüllt. Insbesondere die Klemmspannungen der von mir betrachteten TVS überschreiten die maximale Anforderung von 6 V. Im Allgemeinen scheinen Klemmspannungen ~60 % höher zu sein als die Durchbruchspannungen, die wiederum ~20 % höher zu sein scheinen als die Abstandsspannung. Es gibt mehrere Teile, die Vclamp in der Größenordnung von 9 V haben ( dies ist nur ein Beispiel).

Das Fehlen eines offensichtlich geeigneten Teils lässt mich fragen, ob ich etwas in meiner TVS-Auswahl vermisse (z. B. ist es vielleicht eigentlich in Ordnung, dass vclamp 9 V ist, weil es so ein kurzer Impuls ist?) Oder ob ich ein verwenden soll TVS zusammen mit etwas anderem. Wie soll ich angesichts der "engen" Toleranz zwischen meinem Vsupply/Absolute Max V und Vclamp der TVSs, die ich da draußen sehe, mit dem ESD-Schutz für meinen Stromkreis umgehen?

Schauen Sie sich ESD-Dioden an
Sind Sie sicher, dass Sie solch strenge Anforderungen benötigen? Es gibt viele USB-taugliche TVS-Geräte, die die USB-Anforderungen erfüllen. Ihre sind ziemlich ähnlich (5 VDC Abstand).
@LiorBilia Ja, ich dachte, die USB-Geräte würden auch gut zu mir passen, aber selbst Dinge wie NUP4114 haben Klemmspannungen von 9 V. Angesichts der absoluten Höchstspannung von 6 V auf meinen ICs gehe ich davon aus, dass eine so hohe Klemmspannung nicht funktioniert.
Solch niedrige Transienten wirken sich nicht auf Ihre Komponente aus, es sei denn, es handelt sich um etwas, das extrem empfindlich ist, und dann hat der Hersteller ein empfohlenes Gerät.
@LiorBilia Ich nehme an, dass Sie mit "niedrig" kurz meinen (und ich nehme an, auch von geringer Größe)? Ich habe mich gefragt, ob ich diese Annahme machen kann. Wie sollen Sie anhand des Datenblatts feststellen, welche Art von Transienten das Gerät fehlerfrei verarbeiten kann? Gibt es Standardmodelle, die verwendet werden, um die Zuverlässigkeit von Komponenten langfristig abzuschätzen?
Alle Geräte haben eine ESD-Einstufung, normalerweise 1 kV/menschliches Körpermodell. Für spezielle Anwendungen gibt es zusätzliche Daten (wie viel Energie in einer Transiente (J) das Bauteil aushalten kann. Aber das sind die Ausnahmen, nicht die Regel.
@LiorBilia leider erwähnt das Datenblatt für das betreffende Teil die ESD-Einstufung nicht. Ehrlich gesagt ziemlich überraschend.

Antworten (1)

Fast jedes Ladegerät und jeder Regler da draußen hat heutzutage ein absolutes Maximum von 6 V. Wenn Sie einen USB-bewerteten Fernseher und eine gewisse Kapazität auf dem 5-V-Bus haben, werden Sie dort wahrscheinlich keine Probleme haben. Sie können eine Hochspannungskappe verwenden, wenn Sie möchten, und diese in die Nähe der Fassbuchse legen.

Verwenden Sie für Tasten einen Vorwiderstand (so groß wie Sie es akzeptieren können, ohne Probleme mit Ihrem Pullup oder Pulldown zu verursachen) und eine Shunt-Kappe. Setzen Sie den Widerstand in die Nähe des Knopfes und die Kappe in die Nähe des IC, wo das Signal hingeht. Sie brauchen TVS wahrscheinlich nicht auf den Tasten, aber es ist eine gute Idee, es im Layout (in der Nähe des IC) zu platzieren, falls es benötigt wird. Eine große Auswahl an ESD-Dioden der Größe 0402 ist verfügbar. Wenn Sie einen großen Serienwiderstand zwischen der ESD-Pistole und dem IC haben, muss die ESD-Diode nicht viel Energie verbrauchen. Der Kondensator hilft dabei, steile dV/dt zu vermeiden.

Am wichtigsten ist, dass Sie testen müssen. ESD kann man nicht analytisch lösen. Sie können Ihr Bestes geben, aber dann müssen Sie testen, um dies zu überprüfen.

Die zwei Hauptprobleme, die Sie durch ESD bekommen, sind:

  1. IC- oder Transistoreingänge beschädigt (mit Kapazität oder ESD-Dioden oder TVS beheben)
  2. schlecht terminierte Eingänge schalten aufgrund von Impulskopplung um und verursachen ein unerwünschtes Verhalten wie Neustart/Reset/Ausschalten.

Selten beschädigt ESD etwas anderes als einen IC-Eingang.

Denken Sie auch an Fall 2. Alle Reset-Eingänge oder Interrupt-Eingänge müssen genau untersucht werden. Ein interner 200k-Pullup (oder was auch immer) reicht möglicherweise nicht aus. Möglicherweise möchten Sie entweder eine Obergrenze oder einen stärkeren Pullup/Pulldown hinzufügen.

Schließlich besteht die beste Verteidigung gegen ESD, wenn möglich, darin, die Pistole von den Komponenten fernzuhalten, indem sie in einem Kunststoffgehäuse versenkt werden. Das ist jedoch hauptsächlich ein mechanisches Konstruktionsproblem. Kann die Pistolenspitze nicht an die Bauteile herankommen, kommt es erst gar nicht zu einer Entladung.

Ich möchte hinzufügen, dass die meisten 5-V-ICs tatsächlich bis hinunter zu 3 V als logisches Hoch akzeptieren ( DATENBLATT ÜBERPRÜFEN ). Hier kommt also dieser Vorwiderstand ins Spiel. Er begrenzt sowohl den Strom als auch die Spannung basierend auf dem Eingangswiderstand und dem Eingangsstrombedarf für den digitalen Logik-Pin. Wenn Sie nun diese Widerstände hinzufügen, können Sie eine ESD-Diode verwenden, die für etwa 3,3 V bis 4 V mit einer Klemme nahe 5,5 V bis 6 V ausgelegt ist. Diese sollten etwas leichter zu finden sein.
Ich glaube nicht, dass ich sagen würde, dass die meisten 5-V-ICs 3 V als logisch hoch akzeptieren. Aber das Datenblatt sollte einen Anhaltspunkt geben.
Das Datenblatt würde eine pauschale Antwort liefern. Ein Hinweis wäre, ob dieser IC mit 3,3-V-Geräten verbunden werden kann, ohne dass ein Pegelumsetzer für Eingänge erforderlich ist.
@mkeith danke für die Antwort. Aus Neugier, was ist der Unterschied zwischen einer TVS- und einer ESD-Diode?
Ich denke, die Produkte können sehr ähnlich sein oder sich stark überlappen, aber eine transiente Spannung kann auf andere Ursachen als menschliche ESD zurückzuführen sein und viel mehr Verlustleistung verursachen. Daher halte ich ESD-Dioden für klein, aber TVS für etwas robuster, aber möglicherweise etwas langsamer im Ansprechen. Ein Beispiel für einen anderen Transienten als ESD ist der Lastabwurf der Lichtmaschine. Ich vermute, dass ein Lastabwurf der Lichtmaschine die meisten kleinen ESD-Dioden sprengen wird.
Auswahl eines TVS für den ESD-Schutz
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