Làm thế nào để một mạch kẹp diode bảo vệ chống quá áp và ESD?

Tôi luôn thấy mạch này khi nói về bảo vệ quá áp hoặc ESD (mạch này có thực hiện được cả hai hay chỉ một?):

Tuy nhiên, tôi không hiểu làm thế nào nó hoạt động. Nói rằng tôi đặt trong 20V tại Vpin.

Vì vậy, Vpin có tiềm năng cao hơn Vdd, vì vậy dòng điện chạy qua diode. Nhưng điện áp tại nút Vpin vẫn là 20V và IC vẫn nhìn thấy 20V - làm thế nào để bảo vệ mạch bên trong? Hơn nữa, nếu một sự kiện ESD chạm 10.000V đến Vpin, làm thế nào để bảo vệ mạch bên trong?

Cuối cùng, là diode D2 ở đó để bảo vệ chống lại điện áp dưới Vss, hay nó có một số mục đích khác?

Tôi đã thử mô phỏng mạch này, nhưng vì một số lý do nó không hoạt động.

Mạch bảo vệ chống lại quá điện áp và ESD chịu các điều kiện nhất định. Giả định chính là Vd "cứng" so với nguồn năng lượng trên Vpin. Điều này thường đúng với Vd = nguồn cung cấp năng lượng nói 1 A + capabilty amd Vpin là nguồn tín hiệu điển hình. Nếu Vpin là ví dụ như ắc quy xe hơi, tất cả các cược có thể bị tắt trong bao lâu trước khi D3 bị phá hủy. .

Như được hiển thị, Vpin đầu vào được kết nối với Vdd thông qua diode D3. Hoặc
- Đầu vào sẽ được kẹp vào một diode giảm trên Vd vì nguồn không có đủ năng lượng để tăng điện áp của Vd hoặc
- Vd sẽ tăng lên gần Vpin - chỉ khi Vpin "cứng" hơn Vd rất nhiều. Không thường xuyên, hoặc
- D3 sẽ bị phá hủy làm nguồn năng lượng và đánh chìm nó ra

Thông thường để thêm một điện trở nhỏ - giả sử 1k đến 10k giữa Vpin và ngã ba D3.

Vpin bây giờ phải thả ~ = Vpin-Vd trên điện trở.

ESD: Cùng một mạch hoạt động theo cùng một cách đối với whch ESD là "chỉ" một nguồn năng lượng thấp hơn điện áp cao hơn (bạn hy vọng). Một lần nữa, một loạt điện trở đầu vào giúp. Các khía cạnh như thời gian tăng và năng lượng có sẵn và thậm chí có thể cả thời gian đáp ứng diode trở nên quan trọng.

Bạn đang quên rằng các nguồn điện áp này là "lý tưởng". Vì vậy, nếu đầu vào của bạn là 20V trực tiếp từ nguồn cung cấp, nó sẽ luôn là 20V.

Ném một loạt điện trở vào đó và bạn có thể thấy nó hoạt động như thế nào.

Tôi đã sử dụng LTspice để mô hình mạch.

R1 là điện trở đầu vào cho một số chân IC.

Tôi đã thực hiện quét DC từ -10V đến 10V với gia số 1V.

Như bạn thấy, khi tôi bắt đầu vượt qua mức 5,7V, R1 chỉ thấy ~ 5,7V.

ESD có điện áp cao hơn nhiều và chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn, nhưng điều này sẽ thể hiện sự bảo vệ.

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

Thử nghiệm ESD có thể lên tới + 8kV hoặc xuống -8kV. Khi xảy ra phóng điện + 8kV, dòng điện sẽ chảy qua D3 và cố gắng tự trung hòa. Khi -8kV xảy ra, dòng điện sẽ chảy qua D2.

Trong ứng dụng thế giới thực, nguồn cung cấp VDD và VSS ở rất xa. Khi ESD xảy ra, sự tăng đột biến sẽ nhảy ra từ dấu vết VDD (hoặc VSS) và can thiệp vào các thành phần khác.

Để giảm thiểu đặc tính không mong muốn này, luôn luôn thêm một số lượng lớn giữa VDD và VSS; gần nhất với D2 và D3.

"Khi Vin> Vcc + 0,7 hoặc khi Vin <-0,7, một trong số các điốt sẽ bắt đầu tiến hành. Điện áp vượt quá (mọi thứ trên 5,7 hoặc dưới -0,7 được truyền xuống đất hoặc trở lại nguồn cung cấp" Tôi nghĩ cách giải thích này từ efox29 khá nhiều câu trả lời câu hỏi của bạn.

Hình ảnh của bạn có phần sai lệch. Nút Vpin nơi bạn có văn bản 20V hy vọng sẽ không bao giờ đạt đến 20V. Khi Vpin bắt đầu tăng điện áp (lên đến 20V) thì ngay khi nó vượt quá điện áp Vdd (5V + 0,7), diode D3 sẽ dẫn và gửi hầu hết dòng điện tới nút Vdd và Vpin sẽ không nhận được bất kỳ cao hơn trong điện áp.

Tương tự như vậy, D2 sẽ kẹp điện áp Vpin để không nhỏ hơn Vss

công việc của cung cấp đường sắt Vdd là giữ sự khác biệt tiềm năng giữa Vdd và mặt đất ở mức 5V. nếu bạn cố gắng làm cho vdd lớn hơn 5v bằng cách gửi dòng điện vào nút vdd, nguồn cung cấp đường ray Vdd sẽ vượt qua dòng điện bổ sung này mà bạn đã gửi xuống mặt đất để vdd duy trì ở mức 5v. nếu bạn thực sự yêu cầu nút vin ở mức 20v (đối với mặt đất) thì bạn có hai nguồn yêu cầu điện áp khác nhau cho cùng một nút (nghĩ rằng họ gọi đây là "sự tranh chấp nguồn"). Nếu nguồn 20V tại Vin đủ mạnh để có thể cung cấp nhiều dòng điện hơn đường ray 5 vdd có thể chìm (và điều này sẽ phải có rất nhiều dòng điện, & D3 có thể sẽ thất bại với dòng điện quá lớn) thì nút Vdd sẽ bị buộc phải là 19,3V bởi nguồn cung cấp vin 20V.