วงจรจับไดโอดจะป้องกันแรงดันเกินและ ESD ได้อย่างไร

15

ฉันมักจะเห็นวงจรนี้เมื่อพูดถึงการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินหรือ ESD (วงจรนี้ทำได้ทั้งสองอย่างหรือเพียงแค่หนึ่งวงจร):

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

อย่างไรก็ตามฉันไม่เข้าใจวิธีการทำงาน สมมติว่าฉันใส่ 20V ที่ Vpin

ดังนั้น Vpin จึงมีศักยภาพสูงกว่า Vdd ดังนั้นกระแสจะไหลผ่านไดโอด แต่แรงดันไฟฟ้าที่โหนด Vpin ยังคงเป็น 20V และ IC ยังคงเห็น 20V - นี่จะป้องกันวงจรภายในอย่างไร นอกจากนี้หากเหตุการณ์ ESD มีค่า 10,000V ถึง Vpin จะป้องกันวงจรภายในได้อย่างไร

ในที่สุดไดโอด D2 จะมีเพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าด้านล่าง Vss หรือมีวัตถุประสงค์อื่นหรือไม่?

ฉันลองจำลองวงจรนี้ แต่ด้วยเหตุผลบางอย่างมันไม่ทำงาน

diodes protection esd

— tgun926
แหล่งที่มา

บางทีไดเนอร์ซีเนอร์

— Dan D.

1

ESD เป็นแหล่งพลังงานต่ำซึ่งถือว่าเป็นแหล่งพลังงานที่มีความต้านทานอนุกรมที่สำคัญ หากคุณดูมาตรฐานสำหรับการทดสอบ ESD มันจะแสดงความต้านทานอนุกรมที่ใช้เป็นแบบจำลองสำหรับแหล่ง ESD จริง

— Martin

1

หากคุณอยู่ในทะเลทรายและมีสิงห์ติดตามคุณคุณไม่จำเป็นต้องเร็วกว่าสิงโตคุณเพียงแค่ต้องเร็วกว่าสมาชิกที่ช้าที่สุดในกลุ่มของคุณ โดยทั่วไปแล้วไดโอดป้องกันจะทำงานโดยเพิ่มคนที่ช้าในกลุ่มของคุณและตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับจำนวนของสิงโต

— Simon Richter

11

วงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินและ ESD ภายใต้เงื่อนไขบางประการ สมมติฐานหลักคือ Vd คือ "แข็ง" เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานใน Vpin ซึ่งมักเป็นจริงสำหรับ Vd = แหล่งจ่ายไฟของการพูด 1 A + capabilty amd Vpin เป็นแหล่งสัญญาณทั่วไป หาก Vpin เป็นเช่นแบตเตอรี่รถยนต์การเดิมพันทั้งหมดอาจถูกปิดเป็นระยะเวลานานเท่าใดก่อนที่ D3 จะถูกทำลาย .

ดังที่แสดงไว้อินพุต Vpin เชื่อมต่อกับ Vdd ผ่าน diode D3 อย่างใดอย่างหนึ่ง
- อินพุตจะถูกจับกับหนึ่งไดโอดที่ลดลงเหนือ Vd เพราะแหล่งที่มามีพลังงานไม่เพียงพอที่จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของ Vd หรือ
- Vd จะเพิ่มขึ้นใกล้ Vpin - เฉพาะในกรณีที่ Vpin เป็น "stiffer" มากกว่า Vd ไม่ปกติหรือ
- D3 จะถูกทำลายเป็นแหล่งพลังงานและทำให้จมลง

เป็นเรื่องปกติที่จะเพิ่มตัวต้านทานขนาดเล็ก - พูด 1k ถึง 10k ระหว่าง Vpin และทางแยก D2 D3

Vpin ต้องวาง ~ = Vpin-Vd ผ่านตัวต้านทาน

ESD: วงจรเดียวกันทำงานในลักษณะเดียวกันสำหรับ ESD whch คือ "เพียง" แหล่งพลังงานพลังงานแรงดันสูงที่ต่ำกว่า (คุณหวัง) อีกครั้งตัวต้านทานอินพุตซีรีย์ช่วย มุมมองเช่นเวลาที่เพิ่มขึ้นและพลังงานที่มีอยู่และแม้กระทั่งเวลาตอบสนองไดโอดก็มีความสำคัญ

— Russell McMahon
แหล่งที่มา

ตัดสินใจเปลี่ยนคำตอบของฉันเป็นคำอธิบายที่ดีกว่าเพราะเหตุใด

— tgun926

16

คุณลืมว่าแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้เป็น "อุดมคติ" ดังนั้นหากอินพุตของคุณคือ 20V โดยตรงจากแหล่งจ่ายจะเป็น 20V เสมอ

โยนตัวต้านทานแบบอนุกรมเข้าไปที่นั่นแล้วคุณจะเห็นว่ามันทำงานอย่างไร

ฉันใช้ LTspice เพื่อทำโมเดลวงจร

R1 คือความต้านทานอินพุตสำหรับพิน IC บางตัว

ฉันกวาด DC ได้ตั้งแต่ -10V ถึง 10V โดยเพิ่มขึ้น 1V

อย่างที่คุณเห็นในขณะที่ฉันเริ่มต้นมากกว่า 5.7V, R1 เห็นเพียง ~ 5.7V

ESD นั้นเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ามากและมีอายุการใช้งานเพียงชั่วครู่เท่านั้น แต่ควรแสดงให้เห็นถึงการป้องกัน

$V_{pin} > V_{dd}+0.7$ $V_{pin} < -0.7$

— efox29
แหล่งที่มา

ขอบคุณสำหรับคำตอบนี้ ฉันมีคำถามที่คล้ายกันและฉันต้องการจำลอง แต่ตอนนี้ฉันไม่ได้อยู่ใกล้คอมพิวเตอร์

— พลเมืองที่เกี่ยวข้อง

ดังนั้นสำหรับ Vdd = 3.3V ถ้า Vpin = 6V ดังนั้น Vic จะเป็น 2V (6 - (3.3 + 0.7))?

— m4l490n

1

@ m4l490n ไม่เมื่อคุณเพิ่ม Vpin จากค่าขนาดเล็กเป็นค่ามากที่หนึ่งค่า Vpin (พูด Vx) ไดโอดจะเริ่มดำเนินการและดำเนินการสำหรับค่าทั้งหมดของ Vpin> Vx สำหรับ Vpin ทั้งหมด> Vx เนื่องจากไดโอดอยู่ข้างหน้าลำเอียงแรงดัน Vic จะคงที่ (เท่ากับ (3.3 + 0.7))

— skt9

3

การทดสอบ ESD สามารถเพิ่มได้ถึง + 8kV หรือลงไปที่ -8kV เมื่อมีการปลดปล่อย + 8kV กระแสจะไหลผ่าน D3 และพยายามที่จะทำให้เป็นกลาง เมื่อ -8kV เกิดขึ้นกระแสจะไหลผ่าน D2

ในการใช้งานจริงอุปทาน VDD และ VSS อยู่ไกลมาก เมื่อ ESD เกิดขึ้นสไปค์จะกระโดดออกจากการติดตาม VDD (หรือ VSS) และแทรกแซงกับส่วนประกอบอื่น

เพื่อลดลักษณะที่ไม่พึงประสงค์นี้ให้เพิ่มจำนวนสูงสุดระหว่าง VDD และ VSS เสมอ; ใกล้กับ D2 และ D3 มากที่สุด

— เจสันฮัน
แหล่งที่มา

2

"เมื่อ Vin> Vcc + 0.7 หรือเมื่อ Vin <-0.7 ไดโอดตัวใดตัวหนึ่งจะเริ่มทำงานแรงดันส่วนเกิน (อะไรก็ตามที่สูงกว่า 5.7 หรือต่ำกว่า -0.7 จะถูกส่งผ่านไปยังพื้นดินหรือกลับเข้าไปในแหล่งจ่ายไฟฟ้า" ฉันคิดว่าคำอธิบายนี้ จาก efox29 ตอบคำถามของคุณได้สวยมาก

รูปภาพของคุณค่อนข้างทำให้เข้าใจผิด โหนด Vpin ที่คุณเขียน 20V หวังว่าจะไม่ถึง 20V เมื่อ Vpin เริ่มแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น (กำลังสูงถึง 20V) จากนั้นเมื่อแรงดัน Vdd (5V + 0.7) ไดโอด D3 จะทำงานและส่งกระแสทั้งหมดไปยังโหนด Vdd และ Vpin จะไม่ รับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น

ในทำนองเดียวกัน D2 จะหนีบแรงดัน Vpin เพื่อไม่ให้น้อยกว่า Vss

งานของ Vdd rail supply คือการรักษาความต่างศักย์ระหว่าง Vdd และ ground ที่ 5V หากคุณพยายามทำให้ vdd มีขนาดใหญ่กว่า 5v โดยการส่งกระแสไปยังโหนด vdd การจ่ายราง Vdd จะส่งกระแสพิเศษเพิ่มเติมที่คุณส่งไปยังกราวด์เช่นนั้น vdd จะอยู่ที่ 5v ถ้าคุณต้องการอย่างแท้จริงว่าโหนด vin อยู่ที่ 20v (เทียบกับกราวด์) จากนั้นคุณมีสองแหล่งที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันสำหรับโหนดเดียวกัน (คิดว่าพวกเขาเรียกสิ่งนี้ว่า ถ้าแหล่ง 20V ที่ Vin แข็งแรงพอที่จะจ่ายกระแสได้มากกว่า 5v vdd rail สามารถจม (และสิ่งนี้จะต้องมีกระแสมาก & D3 อาจล้มเหลวด้วยกระแสมาก) โหนด Vdd จะ ถูกบังคับให้เป็น 19.3V โดยอุปทาน 20V vin

— user158323
แหล่งที่มา

ดังนั้นเมื่อคุณพูดว่า "แรงดันส่วนเกิน (อะไรก็ตามที่สูงกว่า 5.7 หรือต่ำกว่า -0.7 จะถูกส่งผ่านลงดินหรือกลับเข้าสู่แหล่งจ่ายไฟ" นั่นหมายความว่าหาก Vin ถึง 20V, Vdd Rail จะเพิ่มเป็น 14.3V?

— m4l490n