Как диодная зажимная схема защищает от перенапряжения и электростатического разряда?

15

Я всегда вижу эту схему, когда говорю о перенапряжении или защите от электростатического разряда (эта схема выполняет оба или только один?):

введите описание изображения здесь

Однако я не понимаю, как это работает. Скажем, я вставил 20V на Vpin.

Таким образом, Vpin имеет более высокий потенциал, чем Vdd, поэтому ток течет через диод. Но напряжение на узле Vpin все еще составляет 20 В, а микросхема все еще видит 20 В - как это защищает внутреннюю схему? Кроме того, если событие ESD достигло 10 000 В для Vpin, как оно защищает внутреннюю схему?

Наконец, существует ли диод D2 для защиты от напряжения ниже Vss, или он имеет какое-то другое назначение?

Я попытался смоделировать эту схему, но по какой-то причине она не работает.

tgun926
источник
Возможно стабилитроны.
Дэн Д.
1
ESD - это источник низкой энергии, то есть он считается источником напряжения со значительным последовательным импедансом. Если вы посмотрите на стандарты для тестирования ESD, он покажет сопротивление серии, которое используется в качестве модели для реального источника ESD.
Мартин
1
Если вы находитесь в пустыне, и лев следует за вами, вам не нужно быть быстрее льва, вам нужно быть быстрее самого медленного члена вашей группы. Защитные диоды в основном работают, добавляя медленных людей в вашу группу и делая предположения о количестве львов.
Саймон Рихтер

Ответы:

11

Цепь защищает от перенапряжения и электростатического разряда при определенных условиях. Основное предположение состоит в том, что Vd является «жестким» по сравнению с источником энергии на Vpin. Обычно это справедливо для Vd = источника питания, скажем, 1 A + емкость и Vpin - типичный источник сигнала. Если Vpin является, например, автомобильным аккумулятором, все ставки могут быть отключены относительно того, сколько времени пройдет до уничтожения D3. ,

Как показано, вход Vpin подключен к Vdd через диод D3. Либо
- вход будет ограничен одним диодным падением выше Vd, потому что у источника недостаточно энергии, чтобы поднять напряжение Vd, или
- Vd повысится до значения, близкого к Vpin, - только если Vpin намного «жестче», чем Vd. Не обычно, или
- D3 будет уничтожен как источник энергии и поглотит его

Обычно добавляют небольшой резистор - скажем, от 1 кОм до 10 кОм между Vpin и переходом D2 D3.

Vpin теперь должен сбросить ~ = Vpin-Vd через резистор.

ESD: та же схема работает аналогично ESD, который является «просто» источником энергии с более низким напряжением (как вы надеетесь). Опять же, последовательный входной резистор помогает. Такие аспекты, как время нарастания и доступная энергия и, возможно, даже время отклика диода, становятся важными.

Рассел МакМахон
источник
Решил изменить свой ответ на ваш, так как он лучше объясняет почему.
tgun926
16

Вы забываете, что эти источники напряжения "идеальны". Таким образом, если ваш вход 20 В непосредственно от источника питания, он всегда будет 20 В.

Добавьте туда последовательный резистор, и вы увидите, как он работает.

Я использовал LTspice для моделирования схемы.

R1 - входное сопротивление для некоторого вывода IC.

Я сделал развертки постоянного тока от -10 В до 10 В с шагом 1 В.

Как вы видите, когда я начинаю превышать 5,7 В, R1 видит только ~ 5,7 В.

Электростатические разряды имеют гораздо более высокое напряжение и работают только кратковременно, но это должно продемонстрировать защиту.

ВпяN>Вdd+0.7ВпяN<-0.7

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

efox29
источник
Спасибо за этот ответ. У меня был похожий вопрос, и я хотел его смоделировать, но сейчас я не рядом с компьютером.
Обеспокоенный гражданин
Итак, для Vdd = 3,3 В, если Vpin = 6 В, тогда Vic будет 2 В (6 - (3,3 + 0,7))?
m4l490n
1
@ m4l490n Нет, когда вы увеличиваете Vpin с малого значения до большого значения, при одном значении Vpin (скажем, Vx) диод начинает проводить и проводит для всех значений Vpin> Vx. Для всех Vpin> Vx, поскольку диод смещен в прямом направлении, напряжение Vic будет постоянным (равным (3,3 + 0,7)).
skt9
3

Тест ESD может подняться до + 8 кВ или до -8 кВ. Когда происходит разрядка + 8 кВ, ток протекает через D3 и пытается нейтрализовать себя. Когда происходит -8 кВ, ток протекает через D2.

В реальных условиях поставки VDD и VSS очень далеки. Когда возникает ESD, шип выпрыгнет из трассы VDD (или VSS) и создаст помехи для других компонентов.

Чтобы свести к минимуму эту нежелательную характеристику, всегда добавляйте заглушку между VDD и VSS; ближайший к D2 и D3.

Джейсон Хан
источник
2

«Когда Vin> Vcc + 0,7, или когда Vin <-0,7, один из диодов начнет проводить. Избыточное напряжение (что-либо выше 5,7 или ниже -0,7 передается либо на землю, либо обратно в источник питания». Я думаю, это объяснение от efox29 в значительной степени отвечает на ваш вопрос.

Ваша картина несколько вводит в заблуждение. Узел Vpin, на котором написано 20 В, никогда не достигнет 20 В. Когда Vpin начинает повышаться в напряжении (на своем пути до 20 В), то, как только оно становится выше напряжения Vdd (5 В + 0,7), диод D3 будет проводить и отправлять большую часть всего тока на узел Vdd, а Vpin не будет получить более высокое напряжение.

Точно так же D2 будет ограничивать напряжение Vpin, чтобы оно не было чем-то меньшим, чем Vss.

Задача Vdd - поддерживать разность потенциалов между Vdd и землей на уровне 5 В. если вы попытаетесь сделать VDD больше, чем 5 В, посылая ток в узел VDD, источник питания VDD пропустит этот дополнительный ток, который вы отправили на землю, так что VDD останется на уровне 5 В. если вы действительно требовали, чтобы на vin-узле было 20 В (относительно земли), то у вас есть два источника, требующие разных напряжений для одного и того же узла (думаю, они называют это «конфликтом источников»). Если источник 20 В на Vin достаточно силен, так что он может подавать больше тока, чем может поглотить шина 5 В vdd (и это должно быть много тока, & D3, вероятно, выйдет из строя с таким большим током), тогда узел Vdd будет быть вынужденным быть 19.3V от источника питания 20V.

user158323
источник
Итак, когда вы говорите: «Избыточное напряжение (что-либо выше 5,7 или ниже -0,7 пропускается либо на землю, либо обратно в источник питания», означает ли это, что если Vin достигает 20 В, шина Vdd поднимется до 14,3 В?
m4l490n