Prozkoumejte pracovní princip, ekvivalentní obvod, klíčové parametry a tipy pro výběr ESD ochranných diod. Navrženo pro ochranu rozhraní USB, HDMI a vstupu napájení, schopné potlačit ±8kV ESD přetížení podle IEC 61000-4-2 za účelem zajištění spolehlivosti systému.
Elektrostatická výboj (ESD) je jev, při němž se elektrický náboj uvolní v krátkém časovém úseku kvůli rozdílu potenciálu mezi nabitými objekty. Může způsobit nevratnou škodu přesné elektronické zařízení. S tím, jak se elektronické zařízení dále vyvíjí směrem k vyšší rychlosti a miniaturizaci, se požadavky na ochranu před ESD staly přísnějšími. ESD ochranné diody jako efektivní a spolehlivé ochranné součástky jsou široce používány na klíčových místech, jako jsou signální rozhraní a vstupy napájení.
1. Základní funkční princip ESD ochranných diod
Diody pro ochranu před ESD jsou obvykle složeny z opačně polarizovaného PN spojení. Jejich jádrovním mechanismem je využití průbojových vlastností diody, která rychle provádí a odvádí přílišní proud do země, když je externě aplikováno vysoké napětí, jako je elektrický výboj ESD. Tím se zabrání poškození komponentů dále v řetězci.
Normální provoz: Když je napětí na signálové lince (V V ) v rozmezí 0 až Maximální pracovní reverzní napětí (V RWM ), zůstává dioda vypnutá a chová se jako kapacita spoje (CT).
Přepěťové vedení: Když napětí překročí prahové napětí (V Z ) , dioda vstoupí do režimu reverzního průniku, provádí proud a omezuje napětí na určitou úroveň (V C ) pro ochranu zátěže.
Ve stavu vedení lze ESD ochrannou diodou modelovat jako sériové spojení omezovače napětí a dynamického odporu (R DYN ). Jeho držací výkon je úzce spojen s jeho vnitřní strukturou.
(Ilustrace: Příklad připojení diodu proti ESD)
(Ilustrace: Ekvivalentní obvod diodu proti ESD)
2. Analýza klíčových elektrických parametrů
V RWM (Maximální pracovní reverzní napětí): Nejvyšší reverzní napětí, při kterém může zařízení fungovat bez průtoku.
V Z (Průchodové napětí): Minimální napětí, při kterém zařízení začne provozovat v opačném směru, určující jeho prahovou odpověď.
V C (Ucpávací napětí): Napětí na zařízení během vodivosti při stanoveném proudění, což přímo odráží sílu ochrany.
R DYN (Dynamická odpor): Vnitřní odpor během vodivosti, který ovlivňuje pokles napětí. Preferují se nižší hodnoty.
CT (Kapacita spoje): Parazitní kapacita projevovaná v stavech vypnutí, která ovlivňuje integritu vysokorychlostních signálů a měla by být minimalizována.
3. Ekvivalentní obvodové modely v provozu
ESD diody mají dva typické stavy provozu:
Během normálních podmínek se zařízení chová jako malý kondenzátor, který převážně ovlivňuje vysokočastotní vlastnosti.
Když dojde k ESD impulzu, dioda rychle přepne do režimu vedení, tvoře cestu pro omezení složenou z ekvivalentní série odporu a zdroje napětí.
V praxi má ESD napětí velmi strmý narůstající okraj (<1 ns). V tento čas mohou také ovlivňovat účinnost ochrany parasitní indukce a kapacita stop na PCB. Proto je optimalizace rozvržení nezbytná.
4. Analýza odpovědi na ESD impulz
Předpokládejme, že na rozhraní je aplikována událost ESD o 8 kV. Podle IEC 61000-4-2 může proud výkyvu dosáhnout až 30 A. Pokud má dioda dynamickou odpornost 0,5 Ω, bude přechodové napětí 15 V, což se přičte k napětí uzamčení. Proto je důležité vybírat zařízení s nízkou RDYN a nízkou VC, aby se snížilo celkové napětí uzamčení a minimalizovala elektrická zátěž na chráněném zařízení (DUP).
5. Rozložení aplikace a doporučení k výběru
V návrhu ochrany před ESD hraje klíčovou roli nejen parametry samotného zařízení, ale také rozložení PCB. Měly by být dodržovány následující principy:
Umístěte zařízení pro ochranu před ESD co nejblíže externím konektorům, aby se minimalizovala parasitní indukce a kapacita v stopách.
Připojte zemní piny přímo k velké ploše země, aby se vyhnuly induktivním smyčkám.
Pro vysokočastotní rozhraní jako USB 3.0 nebo HDMI jsou doporučovány modely s nízkou kapacitou (např., CT ≤ 0,5pF).
Pro ochranu více kanálů zvažte použití TVS polohových obvodů nebo integrovaných ochranných modulů.
(Ilustrace: Jednoduchá obvodová konfigurace během ESD přívalu)
6. Přehled standardů pro test ESD
Běžné normy pro test odolnosti vůči ESD zahrnují:
IEC 61000-4-2: Norma pro testování odolnosti proti ESD na úrovni systému simulující model výboje lidského těla; typické úrovně testů zahrnují ±4kV a ±8kV.
JEDEC JESD22-A114: Norma pro testování podle modelu lidského těla (HBM) na úrovni čipu.
MIL-STD-883: Vojenská norma pro posouzení odolnosti komponentů proti ESD.
ANSI/ESD S20.20: Norma pro vytváření systémů řízení ESD, která pokrývá produkční procesy a řízení prostředí.
7. Závěr
ESD ochranné diody mají nezastupitelnou roli v návrhu moderních elektronických produktů díky rychlé reakci na události ESD a omezení přechodových napětí. Při výběru zařízení pro ESD ochranu je třeba zvážit rychlost reakce, omezovací napětí, dynamický odpor a kapacitní spojení. Správné nasazení a rozvržení PCB na základě konkrétních systémových rozhraní jsou také klíčem k dosažení optimálního výkonu ochrany.
EN
