Calcule el valor de capacitancia y la tensión nominal en caso de pulsos ESD

Tengo un circuito de filtro de potencia de entrada.

Tiene condensadores de protección ESD que ayudan a proteger el circuito aguas abajo de los pulsos ESD.

Condensador ESD

Especificaciones de los condensadores ESD:

C0001, C0002, C0003, C0004 = 47 nF, 100 V, 10 %, 0805

Mis especificaciones ESD Pulse:

  • Descarga de contacto: +/-4kV y 150pF / 330Ohms
  • Descarga de contacto: +/-8kV y 150pF / 330Ohms
  • Descarga de aire: +/-15kV y 150pF / 330Ohms

¿Puede alguien ayudarme sobre cómo hacer los cálculos para justificar que mi valor de capacitancia y las clasificaciones de voltaje de los capacitores están dentro de los límites diseñados?

Mi entendimiento :

Por ejemplo, tomo la especificación de +/- 4kV y 330pF

Q=CV;

4kV * 150pF = 600nC

Esta carga luego llegará a los condensadores ESD de entrada:

V = Q/C;

600 nC / 47 nF = 12,76 V (y en este paso, ¿debo considerar el valor de capacitancia para la tapa única de 47 nF o debo considerar el valor de capacitancia en serie equivalente de 23,5 nF?)

Entonces, mi clasificación de voltaje del capacitor 100V> 12.76V es apropiada para este pulso.

¿Es correcto mi enfoque?

Mis preguntas :

  1. El cálculo anterior lo he hecho solo para 4kV positivos. ¿Puede alguien ayudarme a entender cuándo se aplican 4kV negativos y cómo realizar el cálculo?

  2. He justificado solo por la clasificación de voltaje de capacitancia. ¿Cómo justificar el valor de la capacitancia? ¿Alguien puede ayudarme con la fórmula para justificar el valor de la capacitancia?

Ciertamente usaría una herramienta de simulación para esto (como lo haría para su pregunta posterior sobre la corriente de entrada).
Sí, yo también usaría una herramienta de simulación. Pero solo quisiera entenderlo / calcularlo teóricamente antes
¿Por qué está colocando estas tapas 47N en serie? Debes colocarlos todos paralelos.
¿ Con respecto a qué aplicas el pulso ESD?
Con respecto al suelo

Respuestas (1)

Pulso de 4 kV desde 150 pF en serie con 330 ohmios

La carga es de 0,6 uC (como dijiste) e, ignorando la resistencia de 330 ohmios (que limita la corriente máxima), esa carga se distribuye (después de aplicar el pulso) entre los condensadores de 150 pF y 2 series de 47 nF. Dado que 150 pF es realmente pequeño en comparación con 23,5 nF (la capacitancia en serie de dos tapas de 47 nF), puede suponer (sin mucho error) que la carga es "adoptada" por completo por 23,5 nF.

Esto significa que el voltaje será de 25,53 voltios. En otras palabras, el doble del valor que calculó porque debe considerar que los dos límites de 47 nF están en serie.

Pero, esto no acomoda el diodo en serie y dos condensadores más de 47 nF. En efecto, el cálculo anterior es válido para -4 kV. Para +4 kV, la capacitancia es solo 47 nF (ignorando la caída de voltaje en el diodo) porque 2 capacitores en serie de 47 nF en paralelo con una conexión en serie idéntica de 2x 47 nF = 47 nF.

Entonces, con un pulso positivo de 4 kV, el voltaje es de 12,77 voltios y, para -4 kV, es de 25,53 voltios.

¿Es correcto mi enfoque?

A grandes rasgos sí. Y, lo que es más importante, es conservador en el sentido de que hemos asumido el peor de los casos: la resistencia de 330 ohmios está en cortocircuito y el diodo (D0002) está en cortocircuito.

Clasificar los condensadores a 25 voltios o más estaría bien para este ejemplo.

Gracias por la respuesta. Pero 2 preguntas. 1. A -4kV, los diodos se bloquean y solo el primer conjunto de capacitores se ve afectado. Entonces, se acumulan 25.53V. Pero el condensador inferior está conectado a tierra a la derecha. Por lo tanto, tengo entendido que los 25,53 V se dividirán por igual en 12,76 V en cada tapa, con el lado inferior siendo +ve con respecto al lado superior. Entonces, la carga obtendrá inmediatamente un camino a tierra a través de la resistencia inferior. ¿Estoy en lo correcto? Y mi segunda pregunta, ¿podría ayudarme a verificar el valor de la capacitancia si el elegido es apropiado? Por favor, ayúdame con esa fórmula.
Resistencia inferior ??? que formula ???
Lo siento, lo que quise decir con resistencia inferior (en realidad era un condensador inferior, déjame editar eso) - "¿Cómo se acumula el voltaje en cada condensador cuando se aplica -4kV (me refiero a la polaridad del voltaje en cada condensador después de que el pulso es aplicado) y ¿cómo se descargarán a tierra esos 25,53 V? Y la segunda pregunta es, similar a los pasos anteriores para validar la clasificación de voltaje del capacitor, ¿hay alguna forma/fórmula/cálculo para validar mi valor de capacitancia seleccionado?
La polaridad de cada capacitor sigue la polaridad del voltaje aplicado. Los -25,53 voltios seguirán siendo -25,53 voltios hasta que algo los descargue. No se puede descargar a través del diodo, por lo que, a menos que tenga una resistencia de purga, permanece. La fórmula es la que tú (y yo usamos) y es que la carga se conserva (siempre).
Sí. Entonces, la parte inferior del capacitor está conectada a la terminal de tierra y es positiva en comparación con la parte superior del capacitor. En PCB, la terminal de tierra se extenderá por todo el tablero. Entonces, debido a cierta resistencia del plano, ¿no se desangrará la carga y el capacitor se descargará (considerando que la placa no está alimentada)? ¿Es correcto mi entendimiento? Y supongamos, si el circuito ya está alimentado y aplico este pulso ESD, el voltaje negativo se acumulará en el capacitor y el voltaje positivo se conectará a tierra. Entonces, ¿qué pasa aquí?
Y verifique si mi validación del valor de capacitancia es correcta. Q(inicial) = 4kV * 150pF =600nC. C(Final) = 600nC / 4kV = 150pF. Entonces, necesito una capacitancia de 150pF mínimo. Pero tengo 47nF, que es superior a 150pF. ¿Mi cálculo y comprensión son correctos?
Realmente no puedo encontrar ningún sentido a tu último comentario. No entiendo lo que estás tratando de determinar. Esa fórmula es Q = CV o C = Q/V y ambas son iguales. La resistencia plana no descargará el capacitor. voluntad de resistencia paralela.
Le recomiendo encarecidamente que utilice un simulador para resolver los aspectos prácticos de las variaciones que se le puedan ocurrir.
Seguro que lo haré. Lo que estaba tratando de transmitir en mi último comentario es validar el valor de capacitancia requerido para la suposición de ESD. Para el pulso de 4kV, la Carga Q = 150pF * 4kV = 0.6uC. Entonces, estos 0.6uC son la carga final que se aplicará. Entonces, para verificar cuál debería ser la capacitancia máxima para soportar este pulso, traté de usar la fórmula de conservación de energía como dijiste. Entonces, capacitancia final, C (final) = 0.6 / 4kV = 150pF. Por lo tanto, necesito tener una capacitancia mínima de 150 pF para soportar este pulso ESD. ¿Es correcto mi cálculo?
No, dije conservación de carga ; NO se conserva la energía. No hay una capacitancia final distinta a la que tiene en su diagrama y eso es un grupo de capacitores de 47 nF: comparten la carga de 0.6 uC con el capacitor de 150 pF cuando se realiza una conexión.
@Newbie, creo que la ecuación que desea depende de qué tan alto se permita que llegue el voltaje en el circuito. El ESD proporciona una carga de 0.6uC. Si el voltaje máximo permitido es Vmax, entonces la capacitancia requerida es C = Q/Vmax. Entonces, si desea limitar Vmax a 25V, necesita una capacitancia de 0.6uC-25V = 24 nF.
Sí, gracias Huisman. Pero en mi pregunta reciente, solo quería averiguar qué tan alto puede ser el voltaje en mi circuito. ¿Podrías ayudar con eso?
Cuando se aplica un pulso positivo de 4 kV, ¿cada capacitor comparte los 12,77 V? Entonces, ¿cada capacitor tendrá 3.1925V? y cual es el voltaje maximo que soportan los capacitores en caso de pulso positivo?? ¿Es 4 x 100V = 400V? O solo 2 x 100V = 200V (ya que los 2 juegos de capacitores en serie están en paralelo). 100V es la tensión nominal del condensador.
Los 12,77 voltios aparecerán donde tienes una flecha llamada "pulso ESD". Si ignora la pequeña caída de tensión directa del diodo, puede decir que hay 6,38 voltios entre C0002 y C0004 y 6,38 voltios entre C0001 y C0003. Si la clasificación es de 100 voltios, los condensadores pueden soportar 100 voltios en cada uno, lo que significa 200 voltios en el punto marcado como "pulso ESD". Esto supone que los condensadores están perfectamente emparejados. Si no coinciden en un 10 %, es decir, uno es de 51,7 nF y el inferior es de 42,7 nF, entonces se desarrollará proporcionalmente más voltaje en el capacitor con menor capacitancia.
¿Podría también guiarme sobre cómo hacer el cálculo del condensador ESD cuando no se ignora la resistencia de la serie de 330 ohmios?
@Newbie: la resistencia de 330 ohmios es irrelevante para la transferencia de carga: se transfiere la misma cantidad de carga sea cual sea el valor. El 50% de la energía se pierde en el proceso sea cual sea el valor de la resistencia. La única diferencia que hacen los 330 ohmios es limitar la corriente máxima y alargar el tiempo en que se transfiere la carga. Si necesita esta información, debe usar una herramienta de simulación (después de todo, si lo estuviera haciendo, eso es lo que usaría). Si necesita una respuesta teórica, le sugiero que plantee una nueva pregunta.
Gracias por el comentario. Déjame hacer una nueva pregunta.
Calcule el valor de capacitancia y la tensión nominal en caso de pulsos ESD
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