Selezione TVS: standoff, clamp, corrente, capacità

Un TVS si sceglie in base a quattro numeri e l'ordine conta. Se si sbaglia lo standoff, conduce durante il normale funzionamento; se si sbaglia il clamp, non protegge nulla.

1. I quattro numeri

2. La tensione di clamp è una curva, non un numero

VCL(I) ~ VBR + Rd x I

Esempio: contatto ESD da 8 kV -> circa 24 A
VBR 6.1 V, Rd 1 ohm -> VCL ~ 30 V sul componente

Ecco perché "clamping voltage 12 V" su un datasheet non significa che l'IC veda 12 V durante un colpo da 8 kV. L'IC vede il clamp più la caduta induttiva della traccia tra di essi — che è l'argomento a favore di posizionare il TVS sul connettore.

La resistenza dinamica è il valore utile per l'estrapolazione. Un componente con 0.5 Ω aggiunge 12 V a 24 A; un componente con 1.5 Ω aggiunge 36 V. Due componenti con la stessa tensione di clamp dichiarata possono comportarsi in modo molto diverso durante una scarica reale.

3. Scegliere prima lo standard

4. Una selezione pratica

Rail a 5 V con tolleranza ±5 % e ripple di 100 mV: il massimo continuo è circa 5.35 V. Scegliere un componente con VRWM almeno 5.5–6 V. L'IC protetto ha un massimo assoluto di 6.5 V; il TVS deve effettuare il clamp al di sotto di tale valore alla corrente di surge attesa, il che per ESD significa verificare la curva a 20–30 A, non a 1 A.

Tale combinazione è spesso impossibile con un piccolo TVS SMD a 5 V: il clamp a 24 A può essere 15–20 V, ben al di sopra del massimo assoluto di 6.5 V. La risposta realistica è che il TVS limita l'energia e la struttura ESD dell'IC gestisce il residuo — ecco perché i test a livello di sistema contano più dell'aritmetica del datasheet.

Un secondo esempio, ingresso industriale a 24 V: massimo continuo forse 26.4 V con tolleranza. Scegliere VRWM 26–28 V e verificare il clamp alla corrente di surge per il livello di prova — un surge da 4 kV può spingere decine di ampere, e il clamp risultante può superare la tensione nominale di 40 V del regolatore a valle. È il caso di un design a due stadi: un componente ad alta energia al connettore più un componente con clamp inferiore dopo un'impedenza in serie.

5. TVS rispetto alle alternative

Un varistore assorbe più energia ma è più lento e capacitivo; uno zener limita con precisione ma sopporta poca energia; un soppressore polimerico è piccolo e veloce ma limitato. Per un ingresso di alimentazione, un TVS più un fusibile o eFuse è la combinazione usuale; per dati ad alta velocità, un array a bassa capacità.

6. Layout

• Posizionare il TVS al connettore, prima di qualsiasi elemento in serie.
• Collegare a massa con rame corto e largo e più via — non una pista sottile.
• Mantenere corta la pista protetta; ogni millimetro aggiunge induttanza.
• Non far passare il percorso della sovratensione attraverso la massa dell'IC.

Per il layout a livello di pin di una porta USB, ilGuida ESD USBLC6illustra lo stesso posizionamento con i numeri.

6b. Checklist di selezione

7. FAQ

Un solo TVS può proteggere sia l'alimentazione sia i dati?

Raramente bene. L'alimentazione richiede gestione dell'energia; i dati richiedono bassa capacità. Usa un array per i dati e un componente separato per il rail.

Perché il mio TVS da 5 V conduce a 5 V?

VRWM è una tensione di standoff, non un clamp. Un componente nominale da 5 V può iniziare a condurre vicino a 6 V, e un rail con tolleranza può raggiungerla. Scegli la tensione immediatamente superiore.

Un clamp più basso è sempre meglio?

No, se ciò costa capacità o capacità di gestione dell'energia. Abbina il clamp al massimo assoluto dell'IC, non al valore più basso disponibile.

Serve un fusibile con un TVS?

Per un ingresso di alimentazione, di solito sì. Il TVS limita il transitorio; il fusibile o eFuse limita la corrente susseguente.

Come lo si testa?

Test IEC a livello di sistema sul connettore, con cavo e involucro. I valori nominali a livello di dispositivo non garantiscono i risultati a livello di sistema.

Che cos'è la potenza di picco dell'impulso?

È la potenza di breve durata che il componente può assorbire, di solito specificata con una forma d'onda 8/20 µs. Non è la stessa cosa della dissipazione continua; leggere la curva di derating.

La capacità è rilevante su un segnale lento?

Solo se l'impedenza della sorgente è alta. Su un bus I2C a 100 kHz con pull-up da 4.7 kΩ, qualche centinaio di pF è già visibile.

8. Fonti

• IEC 61000-4-2 / -4-4 / -4-5 — norme di prova ESD, EFT e surge.
• Datasheet TVS — VRWM, VBR, VC a IPP, capacità, potenza di picco dell'impulso.
• Note applicative sulla selezione e il layout dei TVS (Littelfuse, Bourns, ON Semiconductor).