AND8254/D アバランシェTVSダイオード のSPICEマクロモデル

AND8254/D

アバランシェTVSダイオード のSPICEマクロモデル

はじめに

SPICEマクロモデルをすると、TVSアバランシェ・ダイ

オードの-をでシミュレートできます。

これらのモデルは、サージ !"の#の$%と&'(に できます。TVSマクロモデルは、)*の+,-なSPICEデ バイスを/み0わせてサブ!"を23する45で63されて います。

データシートの

TVSマクロモデルを$%するために&7に89な:;は、

データシートに=>されているデバイス?@をABすること

です。Figure 1に、C4DアバランシェTVSダイオードの

およびのEFをGします。

I_F Forward current V_F Forward voltage @ I_F I_R Reverse leakage current V_RWM Reverse working voltage

@ I_R (V_{RWM (typ.)}^0.8 V_BR) I_T Test current

V_BR Breakdown voltage @ I_T

I_PP Maximum reverse peak pulse current (typically specified with either the 8 20 ms or 10 1000 ms surge pulse)

V_C Clamping voltage @ I_PP

Figure 1. Definition of the Current and Voltage Data Sheet Specifications V_BR

V_C V_RWM

V_F I_R I_T

I_PP I_F Current

Voltage

Forward Region Breakdown

Region

Leakage Region

APPLICATION NOTE

www.onsemi.jp

データシートのHのI9な?@として、JKL とピークNEOをPげることができます。ダイオ ードのJKLはQR、バイアスが0 Vdc、AC

STが50 mV、1.0 MHzのUVでWEされます。XY

パッケージの]0はQR、NEOを8 20 ms (^ち _がり`a パルスbc`a)でEFするのにdし、

eYパッケージの]0はデバイスEFで10 1000 ms のサージ・パルスをすることがfくあります。

ワットChのNをiEするには、サージ(I_PP) j2とクランプ(V_C)j2をlいにmnします。

マクロモデル・サブ

TVSダイオードのマクロモデルは、)*の+,

SPICEデバイスを/み0わせてサブ!"を23する

45で63されます。Figure 2にマクロモデルの!"

oをGし ま す。Appendix Iに 、1SMB28Aお よ び

NUP2105マクロモデルのPSPICEネットリストをGし

ます。TVSマクロモデルは、rstu[3]と[4]に=>

されているツェナ・ダイオード・モデルにxづいて います。rstu[1]と[2]にyzのTVSダイオード

SPICEモデルもGします。

Figure 2. TVS Avalanche Diode SPICE Macro-Model

−

− + +

Cathode

Cathode Anode

Anode

V_D

I_D

1

7 I_F

D₁

I_D L

7

2

1

3

4 D₂ R_Z

I_R I_L

R_L

EV₁

+ EV₁ −

6 8

0 D₃

R_BV I_T

I_BV

EV₁ = [(I_BV× R_BV) − V_D3]

ダイオードD₁は、V_Dが0よりeきいときの{

9コンポーネントです。TVSダイオードの~4Dバ イアスは、D1の€(IS)、‚ƒ*(N)、 および„…†‡(RS)によってˆまります。~4Dバ イアス‰Šの‹はŒのようにŽできます。

I_D+I_F)I_L)I_R +I_{F_D1})V_D

R_L)I_{S_D2} I_L& I_R< < I_F

NI_D^I_{F_D1}^I_{S_D1}

ƪ

ǒ

Ǔ

ƫ

ƪ

ǒ

Ǔ ƫ

ここで：

+kT

^ ^o

れれ‰Šつまり‘バイアス‰Šは、V_Dが0 V

〜ブレークダウン(V_BR)のaにある’“とEFさ れます。IFとIRは、ILに”べてXさな•になりま す。これはダイオードD1とD2が‘バイアスされるた めです。したがって、リークはV_D/R_Lで–—で きます。

I_D+I_F)I_L)I_R +I_{S_D1})V_D

R_L)I_{S_D2} I_F& I_R< < I_L

NI_D^V_D R_I ブレークダウン

は、I_PPでWEされ、Œ‹にGすように、EV₁、 R_Z、D₂のの0¡にœしくなります。

I_D^I_S

ƪ

^ǒ

Ǔ ƫ

ƪ

^ǒ

Ǔ ƫ

V_C@ I_PP+V_EV1)V_D2)V_RZ

+

ƪ

^ǒ

Ǔ ƫ

^ǒ

Ǔ

VEV1+V_BR+V_D@ I_T+I_BVR_BV )(I_PPR_Z)

インピーダンス#$

TVSダイオードのインピーダンスは、¢£3$、

KL3$、†‡3$で¤3されます。¢£3$をモ デル(すると、ICパッケージのインダクタンスに¥

¦するオーバシュート・パルスの§¨(V = L (DI/Dt)) がA©にシミュレートされます。KL3$をマッチ ングさせると、クランプj2の2Uを¬iしやすく なります。デバイスのN#Nを¬iするうえで、

の†‡3$を‹に­めることがI9です。

ACモデル

TVSダイオードのインピーダンスは、ネットワー ク・アナライザをしてiEできます。Œに、

iEしたインピーダンスの©*3$と¯*3$を して、œ°XSTモデルつまりACモデルを±める

ことができます。Acモデルは„…²cされた†‡

(R_S)､インダクタ(L_S)、コンデンサ(C_S)で¤3されま す。R_Sは、)´インピーダンスの©*µ$にœし く、¶§·j*(f_R)でiEされます。·j*がf_R では、インピーダンスは¸¹に†‡3$のみになり ます。これはL_SとC_Sのインピーダンスはeきさがœ

しく、ºが»¼dであるためです。C_SはQR、

1.0 MHzの·j*でJKLをiEして±めます。

LSは¶§·j*から±め、&Xインピーダンスに½

¾します。Table 1に、Acモデルのインピーダンス3

$をSPICEマクロモデルに¿0する45をGしま

す。ACモデルのÀ¡‹はŒのとおりです。

Z_R+R; Z_C+*j

wC; Z_L+wL; w+2pf Z+Reqv.)jXeqv.

Z+

Ǹ

+

Ǹ

ǒ

Ǔ

@ f_RŤZ_LŤ₊ŤZ_CŤ

+R_Så @ f_R; Z+Z_Min.+R_S

C_Så @ 1 MHz Z_CSuu ZsubLS NC_S^ 1 2pfZ L_Såf_R+ 1

2pǸL_SC_S ^NLS+4p²¹f²_RC_S Table 1. CORRELATION OF THE AC AND MACRO-MODEL COMPONENTS

AC Model Component

Equivalent Macro-Model

Component Comments

R_S R_Z + D_{2_RS}

•

•

•

L_S L

•

C_S D_{1_CJ0}

•

Figure 3とFigure 4に、1SMB28AとNUP2105のイン ピーダンスをGします。TVSダイオードのインピー ダンスは、Figure 3にGすように、バイアスのÁ

*です。また、DCバイアスがeきくなるとJ KLがÂÃし、¶§·j*(f_R)はくなります。TVS

ダイオードは、·j*が”Ä-Åい]0は1Æのコ ンデンサとしてモデル(できますが、·j*が¶§

·j*に–Çくときは、ICパッケージのインダクタ ンスを‹に­める89がÈじます。Table 2に、

1SMB28AとNUP2105の©ÉにiEしたインピーダン

スと、ACモデル・パラメータの9ËをGします。

Figure 3. Impedance Characteristic of the 1SMB28A Unidirectional TVS Diode

Figure 4. Impedance Characteristic of the NUP2105 Bidirectional TVS Diode !インピーダンスの©*µ$つまり†‡3$は、AC

モデルではRS、SPICEモデルではRZとしてモデル(

されます。†‡はデバイスのNEOをˆEする{

9な9¦であり、ICパッケージ・リードをシリコン

・ダイに²cするのにするÌ5のÍ#です｡ SMBリードの”Ä-eきなパッド・サイズでは、リ ードからシリコンへの²cµに²ÐћをeきくA

サージ・パルスのエネルギーがצで、TVSダ イオードの²0µØは·“Øに”べて1Ùeき い•で_Úするおそれがあります。TVSダイオード はい²0µØにÛえるようにÀ¡されています が、ブレークダウン(V_BR)と†‡は、それぞれの Üݕよりeきくなります。いダイØをシミュ レートする1つのオプションは、マクロモデルのR_Z

Figure 5. The Increase in the 1SMA28A’s Junction Temperature Produced by a High Energy Surge Pulse can be Modeled by Increasing the Magnitude of R_Z from the Nominal Value of 0.1 to 0.65W

"#$%とインダクタンス

JKL(CS)とインダクタンス(LS)は、TVSダイオ ードのインピーダンスのうち、¯*µ$つまりリア クタンス3$を23します。JKLはシリコン² 0µ‰Šのサイズに”ãします。SMBデバイスは

SOT−23よりeきいダイをäKしています。したがっ

て、QRはSMBデバイスの4がSOT−23デバイスよ り¶§·j*がÅくなっています。さらに、å4D ダイオードのJKLは、æœなC4Dデバイスの

JKLのç$になります。å4DダイオードはC 4Dダイオードを2Ƅ…²cしてè6されていま す。したがって、C4DダイオードよりJKLが Xさくなります。インダクタンス3$は、パッケー ジのリードとシリコン・ダイのaにあるボンディン グ²cによって23されます。L_Sのeきさは、

1SMB28AとNUP2105のêTVSダイオードでlいにë

—しています。

Table 2. THE SMALL R_S AND LARGE C_S TERMS OF THE 1SMB28A ACCOUNT FOR THE DEVICES HIGH POWER RATING. THE SMALL CAPACITANCE OF THE NUP2105 RESULTS IN A HIGH RESONANT FREQUENCY

Part Number

Package and

Schematic Power Rating

f_R (MHz)

Bias Voltage

AC Model R_S L_S C_S

R_S (W) L_S (nH) C_S (pF)

1SMB28A SMB 600 W

(10 1000 ms)

146 0 Vdc 0.12 2.44 486

276 28 Vdc 0.14 2.44 137

NUP2105 SOT−23 350 W

(8 20 ms)

616 0 Vdc 1.28 2.48 26.4

シミュレーション・テストの*+

10 1000 msのサージ・テストにdする1SMB28A TVSダイオードのクランプ#をFigure 6にGしま

す。SPICEシミュレーションでは、RZ•として、

ネットワーク・アナライザでiEした†‡•0.1 Wで

はなく、0.65 Wをしました。†‡•がeきくな

ると、エネルギー・サージにdするクランプ

(V_C)のがくなりますが、”Ä-Xさなエネル ギーのパルスにdしては、ベンチiEよりeきいVC

がシミュレートされることになります。マクロモデ ルのìíのîïでは、Òモデルを¿0して、ðñ˜

Òに¥¦するTVSデバイスの²0µØの_Úをシ ミュレートする¬Eです。

Figure 6. SPICE Predicts a Maximum Clamping Voltage of 42.5 V if R_Z is equal to 0.65 W. The Bench Test Value is 42.4 V

1SMB28A 1SMB28A

8 20 msのサージ・テストにdするNUP2105 TVS ダイオードのクランプ#をFigure 7にGします。

マクロモデルでは、R_Zの•として、ACモデルから

ˆ Eし た•で あ る1 . 2 8 Wを し ま し た 。

10 1000 msパルスと”Äして、8 20 msサージのほ うがbc`aがòいので、シミュレートしたV_Cは”

Ä-iE•に–くなります。

Figure 7. SPICE Predicts a Maximum Clamping Voltage of 39.2V.

The Bench Test Measured Value is 40.8V SPICEの,-

マクロモデルをすると、ほとんどのアプリケ ーションでTVSアバランシェ・ダイオードの−

をSPICEでにŽできます。SPICEはサ

ージóô!"をõ%するためのöNなÀ¡ツールで すが、シミュレーションをハードウェアøùテスト のyわりとしてしないでください。マクロモデ ルのôúの9ËをTable 3にGします。

Table 3. SIMULATION LIMITS OF TVS DIODE MACRO-MODELS

Region Key Design Parameter Limitation

Forward Forward Voltage (V_F)

•

./01

[1] Bley, M., Filho, M. and Raizer, A., Modeling Transient Discharge Suppressors”, IEEE Potentials, August/September 2004.

[2] Hageman, S., “Model Transient Voltage Suppression Diodes”, MicroSim Application Notes, 1997.

[3] Lepkowski, J., “AND8250 − Zener Macro-Models Provide Accurate SPICE Simulations”, ON Semiconductor, 2005.

[4] Wong, S.; Hu, C. and Chan, S., “SPICE

Macro-Model for the Simulation of Zener Diode Current-Voltage Characteristics”, International Journal of Electronics, Volume 71, No. 24, August, 1991.

APPENDIX I: MACRO-MODEL SPICE NETLISTS

**************************************************************************************

* 1SMB28A PSPICE macro-model

* Uni-directional TVS avalanche diode, SMB package, V_BR = 32.75V

**************************************************************************************

* Anode Cathode .SUBCKT SMB28A 7 1

**************************************************************************************

* Forward Region

* D1’s CJO term models the capacitance D1 2 1 MDD1

.MODEL MDD1 D IS = 1.83708e−14 N = 1 XTI = 1 RS = 0.2 + CJO = 486e−12 TT = 5e−10

**************************************************************************************

* Leakage Region

* RL models leakage current (I_L)

* MDR temp. coef. model DIL/DT RL 1 2 MDR 5.64e+06

.MODEL MDR RES TC1 = 0 TC2 = 0

**************************************************************************************

* Reverse Breakdown Region

* RZ models the DI/DV slope

* The small signal impedance is equal to 0.1W

* A RZ value of 0.65W matches the clamping voltage at max. current

* Increasing RZ models the self-heating from the energy of a surge event RZ 2 3 0.65

D2 4 3 MDD2

.MODEL MDD2 D IS = 2.5e−15 N = 0.5

* Breakdown Voltage (V_BR) = I_BV× R_BV EV1 1 4 6 8 1

IBV 0 6 0.001

RBV 6 0 MDRBV 32750

* MDRBV temp. coef. model DV_BR/DT .MODEL MDRBV RES TC1 = 0.00098 D3 8 0 MDD2

IT 0 8 0.001

**************************************************************************************

* L models the lead-to-silicon connection package inductance L 7 2 2.44e−9

*

.ENDS SMB28A

**************************************************************************************

NUP2105 Macro-Model GND

I/O₂ I/O₁

D_C D_D D_A

D_B NUP2105

Dual Line Bi-directional TVS Diodes SOT−23 Package

**************************************************************************************

* Bidirectional devices are formed from two uni-directional devices X1 3 1 HALFNUP2105

X2 3 2 HALFNUP2105 .ENDS NUP2105

**************************************************************************************

* Model HALFNUP2105 represents one bi-directional pair of a dual device

* Anode Cathode .SUBCKT HALFNUP2105 7 1

* Forward Region

* D1’s CJO term models the capacitance D1 2 1 MDD1

.MODEL MDD1 D IS = 1.83708e−14 N = 1 XTI = 1 RS = 0.2 + CJO = 26.4e−12 TT = 1e−08

**************************************************************************************

* Leakage Region

* RL models leakage current (I_L)

* MDR temp. coef. model DIL/DT RL 1 2 MDR 4.32244e+08

.MODEL MDR RES TC1=0 TC2=0

**************************************************************************************

* Reverse Breakdown Region

* RZ models the DI/DV slope RZ 2 3 1.28

D2 4 3 MDD2

.MODEL MDD2 D IS = 2.5e−15 N = 0.5

* Breakdown Voltage (VBR) = IBV× RBV

EV1 1 4 6 8 1 IBV 0 6 0.001

RBV 6 0 MDRBV 26357.1

* MDRBV temp. coef. model DVBR/DT .MODEL MDRBV RES TC1 = 0.00096 D3 8 0 MDD2

IT 0 8 0.001

**************************************************************************************

* L models the lead-to-silicon connection package inductance

* L is distributed between two diodes for bi-directional diodes L 7 2 1.24e−9

*

.ENDS halfnup2105

**************************************************************************************

**************************************************************************************

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に、DE、FE、GHなIJなどKLのIJに!して、いかなるBCもMうことはできません。お<=は、ON SemiconductorによってNOされたサポートやアプリケー ションSTのUVにかかわらず、すべてのWX、YZ、[\:の]^あるいは_の`aをbむ、ON Semiconductor$%を'したお<=の$%とアプリケーションについてK LのBCをMうものとします。ON Semiconductorデータシートやd=1にeされるfg:のある「_」パラメータは、アプリケーションによってはkなることもあり、lm の:gもnFのopにより4qするfg:があります。「_」パラメータをbむすべてのrパラメータは、ご'になるアプリケーションに@じて、お<=のstuvw においてxyz;されるようお{い|します。ON Semiconductorは、そのやそのの"の+、いかなるライセンスも}しません。ON Semiconductor$%は、A~

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としたˆ‰における•]–%などへの'を—˜した™šはされておらず、また、これらを'!(としておりません。お<=が、このような—˜されたものではない、fさ れていないアプリケーション'にON Semiconductor$%を›œまたは'した9、たとえ、ON Semiconductorがその–%の™šまたは$žにŸしてp があったと¡¢され たとしても、そのような—˜せぬ'、また£fの'にŸ¤した¥¦§から、DE、¨はFEにAじるすべてのクレーム、ª'、IJ、oª、および«¬­®などを、

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