Wie schützt eine Diodenklemmschaltung vor Überspannung und ESD?

Ich sehe diese Schaltung immer, wenn ich von Überspannungs- oder ESD-Schutz spreche (leistet diese Schaltung beides oder nur eines?):

Ich verstehe jedoch nicht, wie es funktioniert. Angenommen, ich habe 20 V an Vpin angelegt.

Vpin liegt also auf einem höheren Potential als Vdd, so dass Strom durch die Diode fließt. Aber die Spannung am Knoten Vpin beträgt 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 an Vpin übertrifft, wie schützt es die internen Schaltkreise?

Ist die Diode D2 zum Schutz vor einer Spannung unter Vss vorhanden oder hat sie einen anderen Zweck?

Ich habe versucht, diese Schaltung zu simulieren, aber aus irgendeinem Grund funktioniert es nicht.

Die Schaltung schützt unter bestimmten Bedingungen vor Überspannung und ESD. 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 z. B. eine Autobatterie ist, können alle Wetten dahingehend aufgehoben sein, 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 anzuheben, oder
- Vd steigt auf nahe Vpin an - nur wenn Vpin viel "steifer" als Vd ist. In der Regel nicht, oder
- D3 wird als Energiequelle zerstört und sinkt duke it out

Es ist üblich, einen kleinen Widerstand zwischen Vpin und dem D2-D3-Übergang hinzuzufügen, z. B. 1k bis 10k.

Vpin muss nun über dem Widerstand ~ = Vpin-Vd abfallen.

ESD: Dieselbe Schaltung funktioniert genauso für ESD, die "nur" eine Energiequelle mit höherer Spannung und niedrigerer Energie ist (Sie hoffen). Auch hier hilft ein Serieneingangswiderstand. Aspekte wie die verfügbare Anstiegszeit und Energie und möglicherweise sogar die Reaktionszeit der Dioden werden wichtig.

Sie vergessen, dass diese Spannungsquellen "ideal" sind. Wenn Ihr Eingang also 20 V direkt von einer Versorgung liefert, beträgt er immer 20 V.

Werfen Sie einen Vorwiderstand hinein und Sie können sehen, wie es funktioniert.

Ich habe LTspice verwendet, um die Schaltung zu modellieren.

R1 ist der Eingangswiderstand für einen IC-Pin.

Ich habe einen Gleichstrom-Sweep von -10 V auf 10 V in Schritten von 1 V durchgeführt.

Wie Sie sehen, sieht R1, wenn ich anfange, über 5,7 V zu gehen, nur ~ 5,7 V.

ESDs sind eine viel höhere Spannung und halten nur für einen kurzen Moment, dies sollte jedoch den Schutz demonstrieren.

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

Der ESD-Test kann bis zu +8 kV oder bis zu -8 kV dauern. Wenn eine Entladung von +8 kV auftritt, fließt der Strom durch D3 und versucht, sich selbst zu neutralisieren. Wenn -8kV auftritt, fließt der Strom durch D2.

In der Praxis sind VDD- und VSS-Versorgung sehr weit entfernt. Wenn ESD auftritt, springt die Spitze aus dem VDD-Trace (oder dem VSS-Trace) heraus und beeinträchtigt 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.

"Wenn Vin> Vcc + 0,7 oder wenn Vin <-0,7, beginnt eine der Dioden zu leiten. Die Überspannung (alles über 5,7 oder unter -0,7 wird entweder auf Masse gelegt oder wieder in die Versorgung eingespeist." Ich denke, diese Erklärung von efox29 beantwortet so ziemlich deine Frage.

Ihr Bild ist etwas irreführend. Der Vpin-Knoten, auf dem Sie 20 V geschrieben haben, wird hoffentlich nie 20 V erreichen. Wenn Vpin anfängt, an Spannung zuzunehmen (auf seinem Weg auf 20 V), leitet die D3-Diode, sobald sie über die Vdd-Spannung (5 V + 0,7) steigt, den größten Teil des Stroms zum Vdd-Knoten und Vpin nicht eine höhere Spannung erhalten.

Ebenso wird D2 die Vpin-Spannung so klemmen, dass sie nicht kleiner als Vss ist

die aufgabe der Vdd-schienenversorgung ist es, die Potenzialdifferenz zwischen Vdd und Masse auf 5 V zu halten. Wenn Sie versuchen, Vdd größer als 5 V zu machen, indem Sie Strom in den Vdd-Knoten senden, leitet die Vdd-Schienenspeisung diesen zusätzlichen Strom, den Sie an Masse gesendet haben, so dass Vdd auf 5 V bleibt. Wenn Sie wirklich gefordert haben, dass der vin-Knoten 20 V (in Bezug auf Masse) hat, haben Sie zwei Quellen, die unterschiedliche Spannungen für denselben Knoten benötigen (denken Sie, sie nennen dies "Quellenkonflikt"). Wenn die 20-V-Quelle an Vin stark genug ist, dass sie mehr Strom liefern kann, als die 5-V-Vdd-Schiene sinken kann (und dies müsste viel Strom sein, und D3 würde wahrscheinlich mit so viel Strom ausfallen), würde der Vdd-Knoten ausfallen durch die 20V-Versorgung zu 19,3V gezwungen werden.