智能电网端口雷击保护,ESD防护设计
电源加TVS管Power TVS:顾名思义,是高功率的TVS,通流量大,工作范围宽,适用于电力和工业领域。和MOV相比, PTVS提供了更加严格的箝位电压,没有损耗机制,可以提供更可靠的保护。常用TVS封装:SOD123 SMA,SMB,SMC,DO15,DO27,R6,功率400W-5000W。
特别是对于裸露在外的一些接口,比如USB、LVDS、网口、SD卡等,对这些接口进行接触放电时,静电很容易就会“串”到电源线上,静电由本来的共模变成了差模,此时电源上就会产生一个很高的尖峰,很多芯片都承受不了,发生死机,复位等问题。对于电源VCC的ESD保护,可以并接TVS管来解决。TVS管与稳压二极管很相似,都有一个额定的电压,不同的是它的响应速度特别快,对静电有很好的泄放作用。要注意的是布局布线的时候,TVS管要尽量靠近接口的位置,TVS的阴极以最近的路径接到接口的外壳地。

敏感器件电源添加LC滤波
有些IC特别容易受静电影响,进行ESD试验时,总是发生复位或者死掉。究其原因,一般都是电源引脚受到干扰。对此可以对其电源添加LC滤波。一般芯片的VDD管脚旁边都会有一个去耦电容,但是这个去耦电容是没有办法有效拦截静电的,甚至是几十uF的钽电容并接小电容,效果仍旧不佳。这时候,如果再串一个小电感,情况就得到很好的改观。静电放电会产生一个尖峰,同属于高频干扰,LC可以很好地将高频滤除,使通过电感之后的尖峰大大减弱,IC就不容易死机或者复位。

PCB铺地要求
PCB要尽可能多的铺地。如果是双面板,两面都要大面积铺铜,而且还要有足够的地过孔;如果是四层板或以上,主要元件层的临近平面层要设置成地层。比如四层板,如果主要元件在顶层,那么分层为:顶层->地层->电源层->底层;如果主要元件在底层,分层为:顶层->电源层->地层->底层。
TVS参数介绍:
VBR:TVS二极管最小击穿电压。也就是在流过规定电流(IR )时,加于TVS两极的最小击穿电压;在25℃时,低于这个电压TVS是不会产生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR )时,加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR 。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把VBR分为5%和10%两种。为了满足IEC61000-4-2国际标准,TVS二极管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击,部份半导体厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。对于某些有特殊要求的可携设备应用,设计者可以依需要挑选元件。
VRMW:正常工作时候可承受的电压。这个电压在实际应用当中应大于或等于被保护电路的正常工作电压。该电压值下对应的电流非常小,为nA级别,因此理解为:此电压表示电路正常工作时,TVS的电流非常小,也就是在电路中隐形,没有发挥作用,如果是理想状态下,该电压状态下的TVS电流应该为0。选型时,比如电路中的信号电压为3V,那么选择TVS管的Vrmw需要大于3V;如果选择Vrmw小于3V的TVS,那么在电路正常工作电压为3V时,就会有比较大的电流流进TVS,干扰电路正常工作;
IPP:最大峰值脉冲电流。处于反向状态时, 允许通过的最大脉冲峰值电流;
VC:钳位电压:当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。 VC与VBR之比称为钳位因子,一般在1.2~1.4之间。 VC是二极管在截止状态提供的电压,也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压,它不能大于被保护回路的可承受极限电压,否则元件面临被损伤的危险。
TVS 元件与压敏电阻在8kV IEC 61000-4-2 应力冲击测试下的输出波形对比。TVS 元件可以迅速将ESD 应力降低,即从8 kV 静电电压钳位到5 至6 V 的水平;但压敏电阻的曲线则下降得很慢,而且无法降到很低的水平。该曲线表明,TVS 器件的恢复时间非常短,经过TVS 器件泄漏到后面电路的能量也非常少,特别适合于便携式设备的应用。而在多重应力条件下,两者的差别就表现得更为突出。由于TVS 采用二极管工作原理,受到电击后,会立即击穿,然后关闭,对器件没有损伤,因此可以说没有寿命限制。对于压敏电阻而言,它采用的是物理吸收原理,每经过一次ESD 事件,材料就会受到一定的物理损伤,形成无法恢复的漏电通道;而且,要达到更好的吸收效果,就要使用更多的材料,使其体积增加,进而限制了在今天小型化产品当中的应用。
ESD TVS选型
计算接口信号幅值的范围来确定ESD保护产品的工作电压;
根据信号类型决定使用单向或是双向的ESD保护产品;
根据信号速率决定该接口最大可接受ESD保护产品的电容;
根据电路系统最大可承受电压冲击,在TLP中寻找对应的钳位电压;
确保ESD保护产品可达到或超过IEC 61000-4-2 Level 4,8KV接触放电和15KV空气放电;
ESD TVS的Vrwm为3.6V-36V(型号较多,电压分档较细,可以供多种应用选择)
VBR最小击穿电压为4.5-7.5V,测试条件是在1mA的情况下;Vclamp(浪涌钳位电压)根据不同的浪涌电流测试条件下,有不同的电压值。
IPP峰值电流,考虑应用产品功率大小选择参考。
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