W jaki sposób diodowy obwód zaciskowy chroni przed przepięciem i wyładowaniami elektrostatycznymi?

Zawsze widzę ten obwód, gdy mówimy o przepięciu lub ochronie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (czy ten obwód spełnia oba, czy tylko jedno?):

Nie rozumiem jednak, jak to działa. Powiedzmy, że włączyłem 20 V w Vpin.

Zatem Vpin ma wyższy potencjał niż Vdd, więc prąd przepływa przez diodę. Ale napięcie w węźle Vpin wynosi nadal 20 V, a układ scalony nadal widzi 20 V - w jaki sposób chroni to wewnętrzny obwód? Ponadto, jeśli zdarzenie ESD osiągnęło wartość 10 000 V dla Vpin, w jaki sposób chroni wewnętrzny obwód?

Wreszcie, czy dioda D2 ma chronić przed napięciem poniżej Vss, czy też ma jakiś inny cel?

Próbowałem symulować ten obwód, ale z jakiegoś powodu nie działa.

Obwód chroni przed przepięciem i wyładowaniami elektrostatycznymi pod pewnymi warunkami. Głównym założeniem jest to, że Vd jest „sztywny” w porównaniu do źródła energii na Vpin. Jest to zwykle prawdziwe w przypadku Vd = zasilacz powiedzmy 1 A + pojemność i Vpin jest typowym źródłem sygnału. Jeśli Vpin jest np. Akumulatorem samochodowym, wszystkie zakłady mogą być wyłączone na to, jak długo potrwa zanim D3 zostanie zniszczony. .

Jak pokazano, wejście Vpin jest podłączone do Vdd za pomocą diody D3. Albo
- Wejście zostanie zaciśnięte do jednej kropki diody powyżej Vd, ponieważ źródło nie ma wystarczającej energii do podniesienia napięcia Vd lub
- Vd wzrośnie do poziomu zbliżonego do Vpin - tylko jeśli Vpin jest znacznie „sztywniejszy” niż Vd. Nie zwykle lub
- D3 zostanie zniszczone jako źródło energii i zatopi go

Zwykle dodaje się mały rezystor - powiedzmy od 1k do 10k między Vpin a złączem D2 D3.

Vpin musi teraz upuścić ~ = Vpin-Vd na oporniku.

ESD: Ten sam obwód działa w ten sam sposób dla ESD, który jest „tylko” źródłem energii o niższym napięciu (możesz mieć nadzieję). Ponownie pomaga szeregowy rezystor wejściowy. Ważne stają się takie aspekty, jak czas narastania i dostępna energia, a być może nawet czas reakcji diody.

Zapominasz, że te źródła napięcia są „idealne”. Więc jeśli twoje napięcie wejściowe wynosi 20 V bezpośrednio z zasilania, zawsze będzie to 20 V.

Wrzuć tam rezystor szeregowy, a zobaczysz, jak to działa.

Użyłem LTspice do modelowania obwodu.

R1 oznacza rezystancję wejściową dla niektórych styków układu scalonego.

Zrobiłem przemiatanie prądu stałego od -10 V do 10 V z przyrostem 1 V.

Jak widać, gdy zaczynam przekraczać 5,7 V, R1 widzi tylko ~ 5,7 V.

ESD mają znacznie wyższe napięcie i działają tylko przez krótką chwilę, ale to powinno wykazać ochronę.

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

Test ESD może wzrosnąć do + 8kV lub do -8kV. Kiedy nastąpi wyładowanie + 8kV, prąd przepływa przez D3 i próbuje się zneutralizować. Kiedy nastąpi -8kV, prąd przepłynie przez D2.

W rzeczywistych zastosowaniach zasilanie VDD i VSS jest bardzo odległe. Kiedy nastąpi ESD, skok wyskoczy ze śladu VDD (lub VSS) i zakłóci inne komponenty.

Aby zminimalizować tę niepożądaną cechę, zawsze dodawaj zbiorcze ograniczenie między VDD i VSS; najbliżej D2 i D3.

„Gdy Vin> Vcc + 0,7 lub gdy Vin <-0,7, zacznie przewodzić jedna z diod. Nadwyżka napięcia (wszystko powyżej 5,7 lub poniżej -0,7 przechodzi do masy lub z powrotem do źródła zasilania”. Myślę, że to wyjaśnienie z efox29 prawie odpowiada na twoje pytanie.

Twoje zdjęcie jest nieco mylące. Węzeł Vpin, w którym zapisano 20 V, miejmy nadzieję, że nigdy nie osiągnie 20 V. Gdy napięcie Vpin zaczyna rosnąć (w drodze do 20 V), to gdy tylko wzrośnie powyżej napięcia Vdd (5 V + 0,7) dioda D3 będzie przewodzić i wysyłać większość prądu do węzła Vdd, a Vpin nie będzie uzyskać wyższe napięcie.

Podobnie D2 ustali napięcie Vpin na wartość nie mniejszą niż Vss

zadaniem zasilania szyny Vdd jest utrzymanie potencjalnej różnicy między Vdd a masą na poziomie 5 V. jeśli spróbujesz zwiększyć VDD do wartości większej niż 5 V, wysyłając prąd do węzła VDD, zasilanie szyny Vdd przekaże ten dodatkowy prąd, który wysłałeś do ziemi, tak że VDD pozostanie przy 5 V. jeśli naprawdę zażądałeś, aby węzeł Vin był na poziomie 20 V (względem ziemi), to masz dwa źródła żądające różnych napięć dla tego samego węzła (myśl, że nazywają to „rywalizacją o źródło”). Jeśli źródło 20 V w Vin jest na tyle silne, że może dostarczyć więcej prądu, niż szyna 5 V VDD może zatonąć (a to musiałoby być dużo prądu, a D3 prawdopodobnie zawiodłoby przy tak dużym prądzie), to węzeł Vdd być zmuszonym do uzyskania 19,3 V przy zasilaniu winem 20 V.