靜電、浪涌與TVS管(測試標準、參數、選型)
ESD和浪涌問題往往是基帶工程師最頭疼的問題,因為測試標準嚴苛,問題神出鬼沒。特別是ESD問題,沒有解決問題的標準路徑,只能靠反復地構思方案并驗證。
想要盡量避免以上問題,就必須選擇合適的防護器件,設計上做足防護措施。本文告訴你ESD和浪涌的測試標準,測試方法,以及如何選擇TVS器件。
1 TVS管測試標準
這里說的TVS管包括防ESD用的小功率TVS管(本文簡稱ESD管)和防浪涌用的大功率TVS管(本文簡稱浪涌管)。
這里說的測試標準指TVS器件規(guī)格書上標明的測試標準:
IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——靜電測試標準,必須通過,提供測試數據
IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分廠家才會提供數據
IEC61000-4-5(8/20us)——浪涌測試標準,必須通過,提供測試數據
下面是安森美ESD5481MUT5G,用在一般信號線上的ESD管規(guī)格書提供的信息,人家一個小管子,完成了三個標準的測試。怪不得菊花廠很喜歡用。
1.1 IEC61000-4-2 ESD Protection
這個是靜電放電抗干擾度試驗標準,對應國標GB/T 17626.2-2018。先看一下放電槍的原理框圖:
- Cd是放電槍和周圍環(huán)境的分布電容;
- Cd+Cs的典型值為150pF;
- Rd典型值是330Ω;
以4KV接觸放電為例,下圖顯示了靜電槍釋放出來的波形,第一個峰值電流要求15A,上升時間tr=0.8ns,30ns處的電流8A,60ns處的電流4A。其他等級的ESD參數詳見標準,有個規(guī)律,電流的增加隨電壓要求成正比增加,tr的要求是一樣的??梢婌o電的電壓很高,電流也很高,但是時間非常短,所以能量很低。
ESD的測試環(huán)境是:
- 環(huán)境溫度15℃-35℃
- 相對濕度30%-60%
- 大氣壓86kPa-106Kpa
- 靜電的注入點要注意,有金屬的地方,才適合做接觸放電,如果是絕緣的,沒必要做接觸放電。
1.2 IEC61000-4-4 Protection
電快速瞬變脈沖群抗干擾度試驗,對應國標GB-T17626.4。這個脈沖發(fā)生器的結構如下,輸出阻抗是50Ω。
單個脈沖和群脈沖要求如下:
規(guī)格書中會給出5/50ns, 40A的通過標準,意思是波形符合上面時間要求,電壓幅度最高值是通過40A電流是的電壓值。現在很多廠家都不做這個測試了。
1.3 IEC61000-4-5 Transient Voltage Protection
這個是浪涌測試標準,對應國標GB T17626.5-2008。標準規(guī)定了10/70us組合波發(fā)生器,1.2/50us組合波發(fā)生器的詳細要求。這個“組合波發(fā)生器”就是浪涌測試儀。
在消費類電子領域,我們主要用到1.2/50us組合波。這個“1.2/50us”是對浪涌測試儀的電壓放電要求,標題中的“8/20us”是對浪涌測試儀的電流放電要求,下文會詳細解釋。
下圖是浪涌測試儀的內部原理,在沒有負載(開路)情況下,浪涌測試儀應該要輸出波前電壓1.2us,電壓半峰值時間50us。在輸出短路情況下,應能輸出波前電流8us,電流半峰值時間20us。開路輸出電壓與短路輸出電流的比值成為浪涌測試儀內阻,要求是2Ω。
下面是1.2/50us電壓波形和8/20us電流波形規(guī)定,特別注意,這些都是儀器不連接被測設備,并且沒有耦合/去耦合網絡時的波形要求。
如果連接了被測設備,標準上沒有波形要求。
如果連接的去耦合網絡,波形的過充和下沖也會受到影響,標準沒有限制。
下面是消費類電子領域經常用的浪涌設備的耦合/去耦合網絡原理圖,浪涌是注入到設備的供電線中的,去耦合網絡是為了保護供電設備不受破壞。手機項目中一般選用二極管耦合/去耦合。
2、TLP測試
Transmission Line Pulse測試,用100ns脈寬的方波,測量不同電壓幅度下的電流值,電壓值一直增加到管子損壞為止。100ns比IEC61000-4-2規(guī)定的靜電波形1ns大得多,這更能考驗ESD管的性能,也更能反應ESD管的鉗位能力,下圖是浪涌測試和TLP測試的比較,明顯TLP的能量更大。
當我們看到兩個ESD管都能通過接觸±8kV靜電測試的時候,我們該如何去選擇呢,這個時候我們要看ESD的管的鉗位電壓那個更低,如果都差不多,就再用TLP測量出I-V曲線,如下圖,對比同樣電流下的鉗位電壓,低的那個就是最好的。
3、ESD管接觸放電實測波形一個ESD管的接觸±8kV實測波形,可以看到ESD管可以把8kV的電壓鉗位到30V左右,還是很厲害的。
4、浪涌管實測波形
5、TVS管的技術指標Ipp:
最大反向峰值電流,就是按照按照IEC61000-4-5標準,8/20us電流波形,電容/電感去耦合網絡測試的。這個值越大,TVS管性能越好。Vc@Ipp:鉗位電壓,達到最大電流Ipp時,鉗位電壓值。這個值,越小越好Vrwm:最大反向工作電壓,被保護的信號,其正常工作時的電壓不能超過這個電壓。其實這個電壓是TVS管反向漏電流為1uA時的電壓值,如果電壓再大,反向電流會很快增加。TVS型號上的數字就是這個電壓。Vbr:反向擊穿電壓,二極管反向電流達到1mA時的電壓值。當反向電壓超過這個值時,反向電流會急劇增加。Cj:結電容,一般是pF級別,用在高速信號線上時,比如USB2.0的D+和D-,結電容要小于1pF。Pppm:按照IEC 61000-4-5標準測試出來的最大Ipp乘以此時的鉗位電壓Vc。浪涌管選型,不要只看這個值,更要看鉗位電壓是多少。
6、ESD管和浪涌管選型
Vrwm不得小于被保護信號的工作電壓。
從減少漏電的角度考慮,Vrwm比被保護信號的工作電壓越大,漏電流越小。不要小看1uA的漏電流,很多器件的待機電流都是nA級別的哦。
從保護強度的角度考慮,Vrwm越接近信號工作電壓,管子的鉗位電壓Vc越低,對信號的保護作用越好。
ESD管和浪涌管的靜電防護等級要大于產品本身要求的防護等級。
ESD管和浪涌管的的靜電鉗位電壓,浪涌鉗位電壓越低越好。
浪涌管的鉗位電壓要小于被保護電路的maximal rating.
浪涌管的功率要求:假設要通過300V浪涌,要求鉗位電壓是20V以內,因為浪涌測試儀的內阻是2ohm,所以最大輸出電流是(300V-20V)/2ohm=140A,則要選擇管子功率在140A*20V=2800W以上。當然,如果這個浪涌管的鉗位電壓小于20V,對功率的要求還能低一些。
管子的保護性能,主要跟鉗位電壓有關,不要看Ipp之類的參數。
簡言之,先看Vrwm,再看Vc,在看功率,沒什么難的。
7、我用過的TVS管
8、大廠浪涌測試標準