مبدأ عمل دايود حماية ESD

التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) هو ظاهرة يتم فيها إطلاق الشحنة الكهربائية في فترة زمنية قصيرة بسبب فرق الجهد بين الأجسام المشحونة. يمكن أن يتسبب في أضرار غير قابلة للإصلاح للأجهزة الإلكترونية الدقيقة. مع استمرار تطور الأجهزة الإلكترونية نحو السرعة العالية والتصغير، أصبحت متطلبات حماية ESD أكثر صرامة. يتم استخدام ديوودات حماية ESD كمكونات واقية فعالة وموثوقة على نطاق واسع في النقاط الحرجة مثل واجهات الإشارة ومدخلات الطاقة.

1. المبدأ الأساسي لعمل ديوودات حماية ESD

ديوودات حماية ESD تتكون عادة من اتحاد PN معاكس التحيز. يعتمد ميكانيزمها الأساسي على خصائص انكسار الديوود لتوجيه التيار الزائد بسرعة إلى الأرض عند تطبيق جهد عالي، مثل ذروة ESD، من الخارج. هذا يمنع تلف المكونات الموجودة في المراحل التالية.

العملية العادية: عندما تكون جهد الخط الإشارة (V _في ) ضمن نطاق 0 إلى الجهد العكسي الأقصى للعمل (V _RWM )، يبقى الديود مقفلاً ويؤدي دور سعة اتصال (CT).

التوصيل فوق الجهد: عندما يتجاوز الجهد جهد الكسر (V _Z عندما يدخل الدايود في وضع الكسر العكسي، فإنه يُجري التيار ويُثبت الجهد عند مستوى معين (V _ج ) لحماية الحمل.

في حالة التوصيل، يمكن نمذجة الدايود الحامي من ESD كاتصال سلسلة بين مصدر جهد ثابت ومقاومة ديناميكية (R _DYN ). أداءه في التثبيت مرتبط ارتباطًا وثيقًا ببنائه الداخلي.

(التوضيح: مثال على اتصال دايود حماية ESD)

(التوضيح: الدائرة المكافئة لدايود حماية ESD)

2. تحليل المعلمات الكهربائية الرئيسية

الخامس _RWM (جهد العمل العكسي الأقصى): أعلى جهد عكسي يمكن للجهاز أن يعمل به دون مرور التيار.

الخامس _Z (جهد الانكسار): أدنى جهد يبدأ عنده الجهاز بمرور التيار في الاتجاه العكسي، مما يحدد حد الاستجابة.

الخامس _ج (جهد التع加紧): الجهد عبر الجهاز أثناء التوصيل عند تيار محدد، مما يعكس مباشرة قوة الحماية.

ر _DYN (المقاومة الديناميكية): المقاومة الداخلية أثناء التوصيل، والتي تؤثر على انخفاض الجهد. تُفضل القيم الأقل.

CT (سعة الاتصال): السعة寄生 التي تظهر في حالة الإغلاق، والتي تؤثر على سلامة الإشارات ذات السرعة العالية ويجب تقليلها.

٣. نماذج الدوائر المكافئة أثناء التشغيل

لدي أشباه الموصلات ESD حالتان رئيسيتان للتشغيل:

خلال الظروف الطبيعية، يتصرف الجهاز مثل مكثف صغير، ويؤثر بشكل رئيسي على الأداء عالي التردد.

عندما يحدث اندفاع ESD، يتحول الدايود بسرعة إلى وضع التشغيل، مما يشكل مسار تقييدي يتكون من مقاومة سلسلة مكافئة ومصدر جهد.

في الممارسة العملية، يكون الجهد الناتج عن ESD له حافة صعودية شديدة (<1 نانو ثانية). في هذا الوقت، يمكن أن يؤثر الاستطالة寄asitic والطاقة الكهربائية للمسارات PCB أيضًا على فعالية الحماية. لذلك، فإن تحسين التخطيط ضروري.

4. تحليل استجابة اندفاع ESD

افترض أن حدث ESD بقوة 8 كيلوفولت تم تطبيقه على واجهة. وفقًا للمعيار IEC 61000-4-2، يمكن أن يصل التيار الاندفاعي إلى 30 أمبير. إذا كان للدايود مقاومة ديناميكية قدرها 0.5 أوم، سيكون انخفاض الجهد المؤقت 15 فولت، والذي يُضاف إلى الجهد التقييدي. لذلك، اختيار الأجهزة ذات RDYN و VC منخفضة مهم لتقليل الجهد الإجمالي التقييدي وتقليل الضغط الكهربائي على الجهاز المحمي (DUP).

5. تخطيط التطبيق وتوصيات الاختيار

في تصميم حماية ESD، بالإضافة إلى معلمات الجهاز نفسه، يلعب تخطيط PCB دورًا حاسمًا. يجب اتباع المبادئ التالية:

ضع أجهزة حماية ESD قرب الموصلات الخارجية قدر الإمكان لتقليل القدرة والانductance寄生 في المسارات.

قم بتوصيل الأطراف الأرضية مباشرة إلى مستوى أرضي كبير لتجنب الحلقات الانductance.

للمداخل عالية التردد مثل USB 3.0 أو HDMI، يُوصى باستخدام نماذج ذات طاقة منخفضة (على سبيل المثال، CT ≤ 0.5pF).

للحماية متعددة القنوات، يُفضل استخدام مصفوفات TVS أو وحدات الحماية المتكاملة.

(التوضيح: تكوين دارة بسيط أثناء اندفاع ESD)

6. ملخص معايير اختبار ESD

تشمل معايير الاختبار الشائعة للمناعة ضد ESD:

IEC 61000-4-2: معيار اختبار مناعة ESD على مستوى النظام الذي يحاكي نموذج تفريغ الجسم البشري؛ تتضمن مستويات الاختبار النموذجية ±4kV و±8kV.

JEDEC JESD22-A114: معيار اختبار نموذج الجسم البشري (HBM) على مستوى الرقاقة.

MIL-STD-883: المعيار العسكري لتقييم مقاومة المكونات للاضطرابات الكهروستاتيكية (ESD).

ANSI/ESD S20.20: المعيار لإنشاء أنظمة تحكم ESD، ويغطي عمليات الإنتاج والتحكم البيئي.

7. الخاتمة

تلعب دوائر الحماية من ESD دورًا لا غنى عنه في تصميم المنتجات الإلكترونية الحديثة من خلال الاستجابة السريعة للأحداث الكهروستاتيكية وتحديد فولتية العبور. عند اختيار أجهزة حماية ESD، يجب مراعاة سرعة الاستجابة، وفولتية التثبيت، والمقاومة الديناميكية، وسعة الاتصال. كما أن التنفيذ الصحيح والتخطيط المناسب للوحات الدوائر المطبوعة بناءً على واجهات النظام الخاصة هي أيضًا مفاتيح لتحقيق أفضل أداء للحماية.