ESD和浪涌问题往往是基带工程师最头疼的问题,因为测试标准严苛,问题神出鬼没。特别是ESD问题,没有解决问题的标准路径,只能靠反复地构思方案并验证。
想要尽量避免以上问题,就必须选择合适的防护器件,设计上做足防护措施。本文告诉你ESD和浪涌的测试标准,测试方法,以及如何选择TVS器件。

1 TVS管测试标准

这里说的TVS管包括防ESD用的小功率TVS管(本文简称ESD管)和防浪涌用的大功率TVS管(本文简称浪涌管)。
这里说的测试标准指TVS器件规格书上标明的测试标准:
IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——静电测试标准,必须通过,提供测试数据
IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分厂家才会提供数据
IEC61000-4-5(8/20us)——浪涌测试标准,必须通过,提供测试数据
下面是安森美ESD5481MUT5G,用在一般信号线上的ESD管规格书提供的信息,人家一个小管子,完成了三个标准的测试。怪不得菊花厂很喜欢用。

1.1 IEC61000-4-2 ESD Protection

这个是静电放电抗干扰度试验标准,对应国标GB/T 17626.2-2018。先看一下放电抢的原理框图:

Cd是放电枪和周围环境的分布电容;
Cd+Cs的典型值为150pF;
Rd典型值是330Ω;
以4KV接触放电为例,下图显示了静电枪释放出来的波形,第一个峰值电流要求15A,上升时间tr=0.8ns,30ns处的电流8A,60ns处的电流4A。其他等级的ESD参数详见标准,有个规律,电流的增加随电压要求成正比增加,tr的要求是一样的。可见静电的电压很高,电流也很高,但是时间非常短,所以能量很低。

ESD的测试环境是:
环境温度15℃-35℃
相对湿度30%-60%
大气压86kPa-106Kpa
静电的注入点要注意,有金属的地方,才适合做接触放电,如果是绝缘的,没必要做接触放电。
推荐一个仪器型号:普锐马 ESD61002TB,大家都在用。

1.2 IEC61000-4-4 Protection

电快速瞬变脉冲群抗干扰度试验,对应国标GB-T17626.4。这个脉冲发生器的结构如下,输出阻抗是50Ω。

单个脉冲和群脉冲要求如下:


规格书中会给出5/50ns, 40A的通过标准,意思是波形符合上面时间要求,电压幅度最高值是通过40A电流是的电压值。现在很多厂家都不做这个测试了。

1.3 IEC61000-4-5 Transient Voltage Protection

这个是浪涌测试标准,对应国标GB T17626.5-2008。标准规定了10/70us组合波发生器,1.2/50us组合波发生器的详细要求。这个“组合波发生器”就是浪涌测试仪。
在消费类电子领域,我们主要用到1.2/50us组合波。这个“1.2/50us”是对浪涌测试仪的电压放电要求,标题中的“8/20us”是对浪涌测试仪的电流放电要求,下文会详细解释。
下图是浪涌测试仪的内部原理,在没有负载(开路)情况下,浪涌测试仪应该要输出波前电压1.2us,电压半峰值时间50us。在输出短路情况下,应能输出波前电流8us,电流半峰值时间20us。开路输出电压与短路输出电流的比值成为浪涌测试仪内阻,要求是2Ω。

下面是1.2/50us电压波形和8/20us电流波形规定,特别注意,这些都是仪器不连接被测设备,并且没有耦合/去耦合网络时的波形要求。

如果连接了被测设备,标准上没有波形要求。
如果连接的去耦合网络,波形的过充和下冲也会受到影响,标准没有限制。
下面是消费类电子领域经常用的浪涌设备的耦合/去耦合网络原理图,浪涌是注入到设备的供电线中的,去耦合网络是为了保护供电设备不受破坏。手机项目中一般选用二极管耦合/去耦合。

推荐一个型号:普锐马TVS8/20TC

2 TLP测试

Transmission Line Pulse测试,用100ns脉宽的方波,测量不同电压幅度下的电流值,电压值一直增加到管子损坏为止。100ns比IEC61000-4-2规定的静电波形1ns大得多,这更能考验ESD管的性能,也更能反应ESD管的钳位能力,下图是浪涌测试和TLP测试的比较,明显TLP的能量更大。

当我们看到两个ESD管都能通过接触±8kV静电测试的时候,我们该如何去选择呢,这个时候我们要看ESD的管的钳位电压那个更低,如果都差不多,就再用TLP测量出I-V曲线,如下图,对比同样电流下的钳位电压,低的那个就是最好的。

3 ESD管接触放电实测波形

一个ESD管的接触±8kV实测波形,可以看到ESD管可以把8kV的电压钳位到30V左右,还是很厉害的。


4 浪涌管实测波形

5 TVS管的技术指标

Ipp:最大反向峰值电流,就是按照按照IEC61000-4-5标准,8/20us电流波形,电容/电感去耦合网络测试的。这个值越大,TVS管性能越好。

Vc@Ipp:钳位电压,达到最大电流Ipp时,钳位电压值。这个值,越小越好

Vrwm:最大反向工作电压,被保护的信号,其正常工作时的电压不能超过这个电压。其实这个电压是TVS管反向漏电流为1uA时的电压值,如果电压再大,反向电流会很快增加。TVS型号上的数字就是这个电压。

Vbr:反向击穿电压,二极管反向电流达到1mA时的电压值。当反向电压超过这个值时,反向电流会急剧增加。

Cj:结电容,一般是pF级别,用在高速信号线上时,比如USB2.0的D+和D-,结电容要小于1pF。

Pppm:按照IEC 61000-4-5标准测试出来的最大Ipp乘以此时的钳位电压Vc。浪涌管选型,不要只看这个值,更要看钳位电压是多少。

6 ESD管和浪涌管选型

  1. Vrwm不得小于被保护信号的工作电压。
  2. 从减少漏电的角度考虑,Vrwm比被保护信号的工作电压越大,漏电流越小。不要小看1uA的漏电流,很多器件的待机电流都是nA级别的哦。
  3. 从保护强度的角度考虑,Vrwm越接近信号工作电压,管子的钳位电压Vc越低,对信号的保护作用越好。
  4. ESD管和浪涌管的静电防护等级要大于产品本身要求的防护等级。
  5. ESD管和浪涌管的的静电钳位电压,浪涌钳位电压越低越好。
  6. 浪涌管的钳位电压要小于被保护电路的maximal rating.
  7. 浪涌管的功率要求:假设要通过300V浪涌,要求钳位电压是20V以内,因为浪涌测试仪的内阻是2ohm,所以最大输出电流是(300V-20V)/2ohm=140A,则要选择管子功率在140A*20V=2800W以上。当然,如果这个浪涌管的钳位电压小于20V,对功率的要求还能低一些。
  8. 管子的保护性能,主要跟钳位电压有关,不要看Ipp之类的参数。

简言之,先看Vrwm,再看Vc,在看功率,没什么难的。

7 我用过的TVS管

品牌 型号 特点 用途
       
ST ESDA7P60 5V,700W,10V@60A VBAT上防浪涌
WILLSEMI ESD56101D05 5V,1250W, 80A@12.5V 同上
LRC LTVS16D18H5.0T5G 5V,1500W,80A@17V 同上
ON ESD8472M 5V,3A@14V,0.2pF USB的D+和D-防护
WILLSEMI ESD5311Z 5V,4A@21V,0.25pF 同上
LRC LESD11LL5.0CT 5V,4A@20V,0.25pF 同上
ON ESD5481M 5V,2A@12.4V,12pF 普通信号防护
WILLSEMI ESD5451Z 同上
NXP PESD5V0LS-SFYL 同上
LRC LESD11D5.0CT 同上
WILLSEMI ESD5641D12 12V,4000W,190A@18V USB Vbus防护
LRC LTVS20H12E 同上
Prisemi PTVSHC3N12VU 同上
NXP PTVS12VU1UPA 同上
NXP PESD18VF1BLYL 18V,1A@17V,0.35pF SmartPA MAX98927输出
Littelfuse 15KPA系列 17-280V,15000W 28V DC电源线保护,超大功率,高可靠性,航电产品用。
BOURNS SMBJ系列 5-495V,600W 普通信号,大功率防护,高可靠性,航电产品用。
BOURNS CDDFN10-3304N 3.3V,450W,20A@20V 以太网信号,变压器后边

8 大厂浪涌测试标准

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