Seleção de TVS: tensão de suportação, tensão de fixação, corrente, capacitância

Um TVS é escolhido com base em quatro valores e a ordem é importante. Se a tensão de suportação estiver errada, ele conduz em funcionamento normal; se a tensão de fixação estiver errada, não protege nada.

Resposta rápida

VRWM(tensão de suportação) tem de ser superior à tensão contínua máxima, incluindo tolerância e ondulação.
VC(clamp) na sua corrente de surto deve ficar abaixo do máximo absoluto do CI protegido.
IPPdeve exceder a corrente de surto do padrão para o qual está a testar.
Capacitânciadeve ser compatível com o sinal: centenas de pF na alimentação, menos de alguns pF em dados de alta velocidade.

1. Os quatro números

TVS voltage-current curve showing standoff, breakdown and clamping — Figura 1 — Abaixo de VRWM, o componente apresenta fuga de microamperes; acima da rutura, conduz e limita a tensão.

Parâmetro	Regra	Falha se estiver errado
VRWM	Above rail max, with margin	Leaks or conducts in normal use
VBR	Above VRWM; sets conduction point	Clamps too early or too late
VC at IPP	Below IC absolute maximum	IC dies with the TVS intact
C	Fits the signal budget	Eye closure on high-speed links

2. A tensão de fixação é uma curva, não um número

Clamping voltage versus peak current for three TVS types — Figura 2 — O valor da folha de dados é medido a uma corrente; a correntes mais elevadas, aumenta com a resistência dinâmica.

VCL(I) ~ VBR + Rd x I

Exemplo: 8 kV ESD por contacto -> cerca de 24 A
VBR 6.1 V, Rd 1 ohm -> VCL ~ 30 V no componente

É por isso que "tensão de fixação 12 V" numa folha de dados não significa que o CI veja 12 V durante uma descarga de 8 kV. O CI vê a tensão de fixação mais a queda indutiva da pista entre eles — o que é o argumento para colocar o TVS no conector.

A resistência dinâmica é o valor útil para extrapolação. Um componente com 0.5 Ω acrescenta 12 V a 24 A; um componente com 1.5 Ω acrescenta 36 V. Dois componentes com a mesma tensão de fixação anunciada podem comportar-se de forma muito diferente sob uma descarga real.

3. Escolha primeiro a norma

IEC 61000-4-2 ESD, 61000-4-4 EFT and 61000-4-5 surge test levels — Figura 3 — ESD, EFT e surtos solicitam um componente de forma diferente; um único TVS raramente cobre os três.

Teste	Nível típico	Característica da TVS
ESD (61000-4-2)	±8 kV contact	Fast response, low capacitance
EFT (61000-4-4)	±2 kV bursts	Repeated pulses, thermal
Surge (61000-4-5)	0.5–4 kV	High energy, larger package

4. Uma seleção prática

Linha de 5 V com tolerância de ±5 % e ondulação de 100 mV: o máximo contínuo é cerca de 5.35 V. Escolha um componente com VRWM de pelo menos 5.5–6 V. O IC protegido tem um máximo absoluto de 6.5 V; a TVS tem de limitar abaixo desse valor na corrente de pico esperada, o que, para ESD, significa verificar a curva a 20–30 A e não a 1 A.

Essa combinação é frequentemente impossível com uma TVS SMD pequena a 5 V: a tensão de limitação a 24 A pode ser 15–20 V, muito acima do máximo absoluto de 6.5 V. A resposta realista é que a TVS limita a energia e a própria estrutura ESD do IC trata do residual — razão pela qual os ensaios ao nível do sistema importam mais do que a aritmética da folha de dados.

Um segundo exemplo, entrada industrial de 24 V: o máximo contínuo pode ser 26.4 V com tolerância. Escolha VRWM de 26–28 V e verifique a tensão de limitação na corrente de pico para o seu nível de ensaio — um pico de 4 kV pode impulsionar dezenas de amperes, e a limitação resultante pode exceder a classificação de 40 V do regulador a jusante. É o caso para um projeto em dois estágios: um componente de alta energia no conector mais um componente com tensão de limitação mais baixa após uma impedância em série.

Barramento	VRWM típico	Relógio
3.3 V	3.6–5 V	Low clamp vs 3.3 V IC abs max
5 V	5.5–6.5 V	Tolerance + ripple can reach VRWM
12 V	13–15 V	Load dump if automotive
24 V	26–30 V	Clamp vs regulator rating

5. TVS versus as alternativas

Comparison of TVS, varistor, zener and polymer ESD suppressors — Figura 4 — Funções diferentes: energia, precisão, capacitância, tamanho.

Um varistor absorve mais energia, mas é mais lento e capacitivo; um zener limita com precisão, mas suporta pouca energia; um supressor de polímero é pequeno e rápido, mas limitado. Para uma entrada de alimentação, um TVS mais um fusível ou eFuse é a combinação habitual; para dados de alta velocidade, uma matriz de baixa capacitância.

6. Layout

TVS placement with a short ground return at the connector — Figura 5 — Massa curta e larga; o limitador só protege o que está a jusante.

Coloque o TVS no conector, antes de qualquer elemento em série.
Ligue à massa com cobre curto e largo e várias vias — não com uma pista fina.
Mantenha a pista protegida curta; cada milímetro acrescenta indutância.
Não encaminhe o percurso da sobretensão através da massa do IC.

Para o layout ao nível dos pinos de uma porta USB, oGuia ESD USBLC6percorre a mesma disposição com números.

6b. Lista de verificação de seleção

Passo	Aprovado
VRWM	Above rail maximum with margin
Clamp at test current	Below IC absolute maximum
Peak pulse power	Above the standard's level
Capacitance	Within the signal budget
Leakage	Below the system's standby allowance
Layout	At connector, short ground

7. FAQ

Um único TVS pode proteger tanto a alimentação como os dados?

Raramente de forma satisfatória. A alimentação exige capacidade de absorção de energia; os dados exigem baixa capacitância. Utilize uma matriz para os dados e um componente separado para o barramento de alimentação.

Porque é que o meu TVS de 5 V conduz a 5 V?

VRWM é uma tensão de suporte, não uma tensão de fixação. Um componente classificado para 5 V pode começar a conduzir perto de 6 V, e um barramento com tolerância pode atingir esse valor. Escolha a tensão imediatamente superior.

Uma tensão de fixação mais baixa é sempre melhor?

Não, se isso implicar custos em capacitância ou capacidade de suportar energia. Faça corresponder o limitador ao máximo absoluto do IC, não ao valor mais baixo disponível.

Preciso de um fusível com um TVS?

Para uma entrada de alimentação, normalmente sim. O TVS limita o transiente; o fusível ou eFuse limita a corrente subsequente.

Como posso testá-lo?

Testes IEC ao nível do sistema no conector, com o cabo e o invólucro. As características nominais ao nível do dispositivo não garantem resultados ao nível do sistema.

O que é a potência de pico de impulso?

É a potência de curta duração que o componente pode absorver, normalmente especificada com uma forma de onda de 8/20 µs. Não é o mesmo que dissipação contínua; leia a curva de redução.

A capacitância é relevante num sinal lento?

Apenas se a impedância da fonte for elevada. Num barramento I2C de 100 kHz com resistências pull-up de 4,7 kΩ, algumas centenas de pF já são visíveis.

8. Fontes

IEC 61000-4-2 / -4-4 / -4-5 — normas de ensaio de ESD, EFT e surtos.
Folhas de dados de TVS — VRWM, VBR, VC a IPP, capacitância, potência de pico de impulso.
Notas de aplicação sobre seleção e layout de TVS (Littelfuse, Bourns, ON Semiconductor).