靜電、浪涌與TVS管(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)、選型)
ESD和浪涌問題往往是基帶工程師最頭疼的問題,因?yàn)闇y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛,問題神出鬼沒。特別是ESD問題,沒有解決問題的標(biāo)準(zhǔn)路徑,只能靠反復(fù)地構(gòu)思方案并驗(yàn)證。
想要盡量避免以上問題,就必須選擇合適的防護(hù)器件,設(shè)計(jì)上做足防護(hù)措施。本文告訴你ESD和浪涌的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試方法,以及如何選擇TVS器件。
1 TVS管測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)指TVS器件規(guī)格書上標(biāo)明的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):
IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection——靜電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),必須通過,提供測(cè)試數(shù)據(jù)
IEC61000-4-4 Level 4 EFT protection——部分廠家才會(huì)提供數(shù)據(jù)
IEC61000-4-5(8/20us)——浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),必須通過,提供測(cè)試數(shù)據(jù)
下面是安森美ESD5481MUT5G,用在一般信號(hào)線上的ESD管規(guī)格書提供的信息,人家一個(gè)小管子,完成了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試。怪不得菊花廠很喜歡用。
1.1 IEC61000-4-2 ESD Protection
這個(gè)是靜電放電抗干擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)應(yīng)國標(biāo)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(gè)峰值電流要求15A,上升時(shí)間tr=0.8ns,30ns處的電流8A,60ns處的電流4A。其他等級(jí)的ESD參數(shù)詳見標(biāo)準(zhǔn),有個(gè)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。可見靜電的電壓很高,電流也很高,但是時(shí)間非常短,所以能量很低。
ESD的測(cè)試環(huán)境是:
- 環(huán)境溫度15℃-35℃
- 相對(duì)濕度30%-60%
- 大氣壓86kPa-106Kpa
- 靜電的注入點(diǎn)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(yàn),對(duì)應(yīng)國標(biāo)GB-T17626.4。這個(gè)脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如下,輸出阻抗是50Ω。
單個(gè)脈沖和群脈沖要求如下:
規(guī)格書中會(huì)給出5/50ns, 40A的通過標(biāo)準(zhǔn),意思是波形符合上面時(shí)間要求,電壓幅度最高值是通過40A電流是的電壓值?,F(xiàn)在很多廠家都不做這個(gè)測(cè)試了。
1.3 IEC61000-4-5 Transient Voltage Protection
這個(gè)是浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),對(duì)應(yīng)國標(biāo)GB T17626.5-2008。標(biāo)準(zhǔn)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(xì)要求。這個(gè)“組合波發(fā)生器”就是浪涌測(cè)試儀。
在消費(fèi)類電子領(lǐng)域,我們主要用到1.2/50us組合波。這個(gè)“1.2/50us”是對(duì)浪涌測(cè)試儀的電壓放電要求,標(biāo)題中的“8/20us”是對(duì)浪涌測(cè)試儀的電流放電要求,下文會(huì)詳細(xì)解釋。
下圖是浪涌測(cè)試儀的內(nèi)部原理,在沒有負(fù)載(開路)情況下,浪涌測(cè)試儀應(yīng)該要輸出波前電壓1.2us,電壓半峰值時(shí)間50us。在輸出短路情況下,應(yīng)能輸出波前電流8us,電流半峰值時(shí)間20us。開路輸出電壓與短路輸出電流的比值成為浪涌測(cè)試儀內(nèi)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(cè)設(shè)備,并且沒有耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)時(shí)的波形要求。
如果連接了被測(cè)設(shè)備,標(biāo)準(zhǔn)上沒有波形要求。
如果連接的去耦合網(wǎng)絡(luò),波形的過充和下沖也會(huì)受到影響,標(biāo)準(zhǔn)沒有限制。
下面是消費(fèi)類電子領(lǐng)域經(jīng)常用的浪涌設(shè)備的耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)原理圖,浪涌是注入到設(shè)備的供電線中的,去耦合網(wǎng)絡(luò)是為了保護(hù)供電設(shè)備不受破壞。手機(jī)項(xiàng)目中一般選用二極管耦合/去耦合。
2、TLP測(cè)試
Transmission Line Pulse測(cè)試,用100ns脈寬的方波,測(cè)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(yàn)ESD管的性能,也更能反應(yīng)ESD管的鉗位能力,下圖是浪涌測(cè)試和TLP測(cè)試的比較,明顯TLP的能量更大。
當(dāng)我們看到兩個(gè)ESD管都能通過接觸±8kV靜電測(cè)試的時(shí)候,我們?cè)撊绾稳ミx擇呢,這個(gè)時(shí)候我們要看ESD的管的鉗位電壓那個(gè)更低,如果都差不多,就再用TLP測(cè)量出I-V曲線,如下圖,對(duì)比同樣電流下的鉗位電壓,低的那個(gè)就是最好的。
3、ESD管接觸放電實(shí)測(cè)波形一個(gè)ESD管的接觸±8kV實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)波形
5、TVS管的技術(shù)指標(biāo)Ipp:
最大反向峰值電流,就是按照按照IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn),8/20us電流波形,電容/電感去耦合網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的。這個(gè)值越大,TVS管性能越好。Vc@Ipp:鉗位電壓,達(dá)到最大電流Ipp時(shí),鉗位電壓值。這個(gè)值,越小越好Vrwm:最大反向工作電壓,被保護(hù)的信號(hào),其正常工作時(shí)的電壓不能超過這個(gè)電壓。其實(shí)這個(gè)電壓是TVS管反向漏電流為1uA時(shí)的電壓值,如果電壓再大,反向電流會(huì)很快增加。TVS型號(hào)上的數(shù)字就是這個(gè)電壓。Vbr:反向擊穿電壓,二極管反向電流達(dá)到1mA時(shí)的電壓值。當(dāng)反向電壓超過這個(gè)值時(shí),反向電流會(huì)急劇增加。Cj:結(jié)電容,一般是pF級(jí)別,用在高速信號(hào)線上時(shí),比如USB2.0的D+和D-,結(jié)電容要小于1pF。Pppm:按照IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試出來的最大Ipp乘以此時(shí)的鉗位電壓Vc。浪涌管選型,不要只看這個(gè)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(hù)信號(hào)的工作電壓。
從減少漏電的角度考慮,Vrwm比被保護(hù)信號(hào)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(jī)電流都是nA級(jí)別的哦。
從保護(hù)強(qiáng)度的角度考慮,Vrwm越接近信號(hào)工作電壓,管子的鉗位電壓Vc越低,對(duì)信號(hào)的保護(hù)作用越好。
ESD管和浪涌管的靜電防護(hù)等級(jí)要大于產(chǎn)品本身要求的防護(hù)等級(jí)。
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(hù)電路的maximal rating.
浪涌管的功率要求:假設(shè)要通過300V浪涌,要求鉗位電壓是20V以內(nèi),因?yàn)槔擞繙y(cè)試儀的內(nèi)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(dāng)然,如果這個(gè)浪涌管的鉗位電壓小于20V,對(duì)功率的要求還能低一些。
管子的保護(hù)性能,主要跟鉗位電壓有關(guān),不要看Ipp之類的參數(shù)。
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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)