Wie schützt eine Diodenklemmschaltung vor Überspannung und ESD?
On Dezember 27, 2020 by adminIch sehe diese Schaltung immer, wenn ich über Überspannungs- oder ESD-Schutz spreche (erreicht diese Schaltung beides oder nur einen?):
Ich verstehe jedoch nicht, wie es funktioniert. Angenommen, ich habe 20 V an Vpin angelegt.
Also Vpin liegt auf einem höheren Potential als Vdd, daher fließt Strom durch die Diode. Die Spannung am Knoten Vpin beträgt jedoch immer noch 20 V und der IC sieht immer noch 20 V – wie schützt dies die interne Schaltung? Wenn ein ESD-Ereignis 10.000 V erreicht zu Vpin, wie schützt es die interne Schaltung?
Ist schließlich die Diode D2 da, um gegen eine Spannung unter Vss zu schützen, oder hat sie einen anderen Zweck?
Ich habe es versucht Simulation dieser Schaltung, aber aus irgendeinem Grund funktioniert sie nicht.
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- Vielleicht Zener-Dioden.
- ESD ist a Niedrigenergiequelle, das heißt, betrachten Sie es als eine Spannungsquelle mit einer signifikanten Serienimpedanz. Wenn Sie sich t ansehen Die Standards für ESD-Tests zeigen den Serienwiderstand, der als Modell für eine echte ESD-Quelle verwendet wird.
- Wenn Sie in der Wüste sind und ein Löwe Ihnen folgt, geben Sie ‚ muss nicht schneller sein als der Löwe, Sie müssen nur schneller sein als das langsamste Mitglied Ihrer Gruppe. Schutzdioden funktionieren im Wesentlichen, indem Sie Ihrer Gruppe langsame Personen hinzufügen und Annahmen über die Anzahl der Löwen treffen.
Antwort
Der Stromkreis schützt unter bestimmten Bedingungen vor Überspannung und elektrostatischer Entladung. Die Hauptannahme ist, dass Vd im Vergleich zur Energiequelle auf Vpin „steif“ ist. Dies gilt normalerweise für Vd = Stromversorgung von beispielsweise 1 A + Kapazität und Vpin ist eine typische Signalquelle. Wenn Vpin zB eine Autobatterie ist, sind möglicherweise alle Wetten geschlossen, wie lange es dauert, bis D3 zerstört wird. .
Wie gezeigt, ist der Eingang Vpin über die Diode D3 mit Vdd verbunden. Entweder
– Der Eingang wird auf einen Diodenabfall über Vd geklemmt, weil die Quelle nicht genug Energie hat, um die Spannung von Vd zu erhöhen, oder
– Vd steigt in die Nähe von Vpin – nur wenn Vpin viel „steifer“ ist „als Vd. Normalerweise nicht, oder
– D3 wird als Energiequelle und Senke zerstört.
Es ist üblich, einen kleinen Widerstand hinzuzufügen – sagen wir 1k bis 10k zwischen Vpin und dem D2 D3-Übergang.
Vpin muss jetzt ~ = Vpin-Vd über den Widerstand fallen.
ESD: Dieselbe Schaltung funktioniert auf die gleiche Weise für ESD, die „nur“ eine Energiequelle mit höherer Spannung und niedrigerer Energie (Sie hoffen) ist. Auch hier hilft ein Serieneingangswiderstand. Aspekte wie Anstiegszeit und verfügbare Energie und möglicherweise sogar Diodenreaktionszeit werden wichtig.
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- Beschlossen, meine Antwort auf Ihre zu ändern, da dies besser erklärt, warum.
Antwort
Sie vergessen, dass diese Spannungsquellen „ideal“ sind. Wenn Ihr Eingang also 20 V direkt von einer Versorgung ist, sind es immer 20 V.
Wenn Sie einen Vorwiderstand hineinwerfen, können Sie sehen, wie er funktioniert.
Ich habe LTspice verwendet, um die Schaltung zu modellieren.
R1 ist der Eingangswiderstand für einen IC-Pin.
Ich habe einen DC-Sweep von -10 V bis 10 V mit durchgeführt 1V-Schritte.
Wie Sie sehen, sieht R1, wenn ich anfange, über 5,7 V zu gehen, nur ~ 5,7 V.
ESDs haben eine viel höhere Spannung und halten nur für einen kurzen Moment, aber das sollte Demonstrieren Sie den Schutz.
Wenn \ $ V_ {pin} > V_ {dd} +0.7 \ $ oder wenn \ $ V_ {pin} < -0,7 \ $ , beginnt eine der Dioden zu leiten . Die Überspannung (alles über 5,7 V oder unter -0,7 V) wird entweder nach Masse oder zurück in die Versorgung geleitet.
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- Danke für diese Antwort. Ich hatte eine ähnliche Frage und wollte sie simulieren, aber ich ‚ bin derzeit nicht in der Nähe eines Computers.
- Also für Vdd = 3.3V, wenn Vpin = 6V, dann wäre Vic 2V (6 – (3,3 + 0,7))?
- @ m4l490n Nein, wenn Sie Vpin von einem kleinen Wert auf einen großen Wert erhöhen, bei einem Wert von Vpin (sagen wir Vx) Die Diode beginnt zu leiten und leitet für alle Werte von Vpin > Vx. Für alle Vpin > Vx ist die Spannung Vic konstant (gleich (3,3 + 0,7)), da die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Antwort
Der ESD-Test kann bis zu +8 kV oder bis zu -8 kV betragen. Wenn eine Entladung von +8 kV auftritt, fließt der Strom durch D3 und versucht, sich selbst zu neutralisieren. Wenn -8 kV auftreten, fließt der Strom durch D2.
In der Praxis sind die VDD- und VSS-Versorgung sehr weit entfernt. Wenn ESD auftritt, springt die Spitze aus dem VDD- (oder VSS-) Trace heraus und stört andere Komponenten.
Um diese unerwünschte Eigenschaft zu minimieren, fügen Sie immer eine Bulk-Kappe zwischen VDD und VSS hinzu. am nächsten zu D2 und D3.
Antwort
„Wenn Vin> Vcc + 0,7 oder wenn Vin < -0,7, eine der Dioden beginnt zu leiten. Die Überspannung (alles über 5,7 oder unter -0,7 wird entweder nach Masse oder zurück in die Versorgung geleitet“ Ich denke, diese Erklärung von efox29 antwortet ziemlich genau auf Ihre Frage.
Ihr Bild ist etwas irreführend. Der Vpin-Knoten, auf den Sie 20 V geschrieben haben, wird hoffentlich nie 20 V erreichen oberhalb der Vdd-Spannung (5 V + 0,7) leitet die D3-Diode den größten Teil des Stroms und sendet ihn an den Vdd-Knoten, und die Spannung von Vpin wird nicht höher.
Ebenso klemmt D2 die Vpin-Spannung auf nicht weniger als Vss
Die Aufgabe der Vdd-Schienenversorgung besteht darin, die Potentialdifferenz zwischen Vdd und Masse bei 5 V zu halten. Wenn Sie versuchen, vdd größer als 5 V zu machen, indem Sie Strom in den vdd-Knoten senden Die Vdd-Schienenversorgung wird diese e xtra Strom, den Sie an Masse gesendet haben, so dass vdd bei 5V bleibt. Wenn Sie wirklich gefordert haben, dass der Vin-Knoten bei 20 V liegt (in Bezug auf Masse), haben Sie zwei Quellen, die unterschiedliche Spannungen für denselben Knoten fordern (denken Sie, sie nennen dies „Quellenkonflikt“). Wenn die 20-V-Quelle bei Vin stark genug ist, um mehr Strom zu liefern, als die 5-V-Vdd-Schiene sinken kann (und dies müsste viel Strom sein, würde & D3 wahrscheinlich Fehler mit so viel Strom), dann würde der Vdd-Knoten durch die 20-V-Vin-Versorgung auf 19,3 V gezwungen.
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- Also, wenn Sie Sagen Sie “ Die Überspannung (alles über 5,7 oder unter -0,7 wird entweder nach Masse oder zurück in die Versorgung geleitet “ bedeutet dies Wenn Vin 20 V erreicht, erhöht sich die Vdd-Schiene auf 14,3 V?
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