Wie schützt eine Diodenklemmschaltung vor Überspannung und ESD?

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 zB eine Autobatterie ist, können alle Wetten dahingehend ausfallen, 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 auf nahe Vpin an - nur wenn Vpin viel "steifer" als Vd ist. Normalerweise nicht, oder
- D3 wird zerstört, da die Energiequelle und die Senke es herausfordern

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

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

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

Sie vergessen, dass diese Spannungsquellen "ideal" sind. Wenn Ihr Eingang also 20 V direkt von einer Versorgung ist, werden es immer 20 V sein.

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 DC-Sweep von -10 V bis 10 V mit 1-V-Schritten durchgeführt.

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

ESDs haben eine viel höhere Spannung und halten nur einen kurzen Moment an, aber dies sollte den Schutz demonstrieren.

Wann$V_{pin} > V_{dd}+0.7$, oder wann$V_{pin} < -0.7$, beginnt eine der Dioden zu leiten. Die Überspannung (alles über 5,7 V oder unter -0,7 V) wird entweder an Masse oder zurück in die Versorgung geleitet.

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

In der realen Anwendung sind die VDD- und VSS-Versorgung sehr weit entfernt. Wenn ESD auftritt, springt die Spitze aus der VDD- (oder VSS-) Spur heraus und stört andere Komponenten.

Um diese unerwünschte Eigenschaft zu minimieren, fügen Sie immer eine Bulk-Obergrenze 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 an Masse oder zurück in die Versorgung geleitet", denke ich diese Erklärung von efox29 beantwortet Ihre Frage ziemlich genau.

Dein Bild ist etwas irreführend. Der Vpin-Knoten, an dem Sie 20 V geschrieben haben, wird hoffentlich niemals 20 V erreichen. Wenn die Spannung von Vpin zu steigen beginnt (auf dem Weg bis zu 20 V), leitet die D3-Diode, sobald sie über die Vdd-Spannung (5 V + 0,7) steigt, und sendet den größten Teil des Stroms an den Vdd-Knoten und Vpin nicht Spannung höher bekommen.

Ebenso klemmt D2 die Vpin-Spannung auf nichts weniger als Vss

Die Aufgabe der Vdd-Schienenversorgung besteht darin, die Potentialdifferenz 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-Schienenversorgung diesen zusätzlichen Strom, den Sie an Masse gesendet haben, so dass vdd bei 5 V bleibt. Wenn Sie wirklich verlangt haben, dass der Vin-Knoten 20 V (in Bezug auf Masse) beträgt, haben Sie zwei Quellen, die unterschiedliche Spannungen für denselben Knoten fordern (denken Sie, sie nennen dies "Quellenkonflikt"). Wenn die 20-V-Quelle an Vin stark genug ist, um mehr Strom zu liefern, 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 dies tun durch die 20-V-Vin-Versorgung auf 19,3 V gezwungen werden.