اصل کار دیود حفاظت از ESD

放電 استاتیک (ESD) یک پدیده است که در آن بار الکتریکی به دلیل تفاضل پتانسیل بین اشیاء باردار در بازه زمانی کوتاهی آزاد می‌شود. این پدیده می‌تواند خسارت غیرقابل بازگشت به دستگاه‌های الکترونیکی دقیق وارد کند. همانطور که دستگاه‌های الکترونیکی به سوی سرعت بیشتر و کوچک‌تر شدن پیشرفت می‌کنند، نیاز به محافظت ESD مشدودتر شده است. دیودهای محافظت ESD به عنوان اجزای محافظت کارآمد و قابل اتکا، به طور گسترده در نقاط حساس مانند رابط‌های سیگنال و ورودی تغذیه برق استفاده می‌شوند.

۱. اصل کار بنیادی دیودهای محافظت ESD

دیودهای حفاظت از ESD معمولاً از یک اتصال PN معکوس شده تشکیل شده‌اند. مکانیسم اصلی آنها از ویژگی‌های شکست دیود استفاده می‌کند تا زمانی که ولتاژ بالایی، مانند پیکه ESD، از خارج اعمال می‌شود، سریع به راه بینجامد و جریان بیش از حد را به زمین هدایت کند. این موضوع جلوگیری از آسیب به مولفه‌های پایین‌دست ایجاد می‌کند.

عملکرد معمولی: زمانی که ولتاژ خط سیگنال (V _در ) در بازه 0 تا ولتاژ عکس کاری ماکسیمم (V _RWM ) قرار دارد، دیود خاموش می‌ماند و شبیه به ظرفیت اتصال (CT) رفتار می‌کند.

جریان بیش‌ ولتاژ: هنگامی که ولتاژ از ولتاژ شکست (V _Z ) فراتر می‌رود، دیود وارد حالت شکست معکوس می‌شود، جریان را منتقل می‌کند و ولتاژ را به سطح خاصی (V _C ) فیت می‌کند تا بار را محافظت کند.

در حالت جریان، دیود حفاظت ESD می‌تواند به صورت یک منبع ولتاژ فیت‌کننده و یک مقاومت پویا (R _{DYN) مدل شود.} ). عملکرد فیکس شدن آن به طور نزدیکی با ساختار داخلی خود مرتبط است.

(تصویر: مثال اتصال دیود حفاظت از ESD)

(تصویر: مدار معادل دیود حفاظت از ESD)

2. تحلیل پارامترهای برقی کلیدی

ولت _RWM (جهت ولتاژ کاری عکس حداکثر): بالاترین ولتاژ عکس که دستگاه می‌تواند بدون رسانایی عمل کند.

ولت _Z (ولتاژ شکست): کمترین ولتاژی که در آن دستگاه شروع به رسانش در جهت معکوس می‌کند، مشخصاً مقدار آستانه پاسخ آن را تعیین می‌کند.

ولت _C (ولتاژ فشاردهی): ولتاژ روی دستگاه طی رسانش در جریان مشخصی، که به طور مستقیم نشان‌دهنده قدرت حفاظت است.

ر _{DYN) مدل شود.} (مقاومت دینامیکی): مقاومت داخلی طی رسانش، که از ولتاژ دروپ تأثیر می‌گذارد. مقادیر کمتر ترجیح داده می‌شوند.

CT (ظرفیت جوش): ظرفیت پارازیتی که در حالت خاموش نمایش داده می‌شود، که از سرعت سیگنال‌های بالا تأثیر می‌گذارد و باید کمینه شود.

3. مدل‌های مدار معادل در عملکرد

دیودهای ESD دو حالت عملیاتی معمول دارند:

در شرایط عادی، این وسیله مثل یک خازن کوچک رفتار می‌کند که اصلًا بر روی عملکرد فرکانس بالا تأثیر می‌گذارد.

هنگامی که جریان ناگهانی ESD رخ می‌دهد، دیود به سرعت به حالت هدایت گذار می‌افتد و مسیری برای فشار بندی تشکیل می‌دهد که شامل مقاومت سری معادل و منبع ولتاژ است.

در عمل، ولتاژ ESD دارای لبه صعودی بسیار شیب‌دار (<1 نانوثانیه) است. در این زمان، خازنی و القای پارازیت خطوط PCB نیز می‌توانند بر مؤثر بودن حفاظت تأثیر بگذارند. بنابراین، بهینه‌سازی طرح ضروری است.

4. تحلیل پاسخ به جریان ناگهانی ESD

假设有8kV的ESD事件施加到接口上。根据IEC 61000-4-2，浪涌电流可达到30A。如果二极管的动态电阻为0.5Ω，则瞬态电压降为15V，这将加到箝位电压上。因此，选择具有低RDYN和低VC的器件对于降低总箝位电压并最小化受保护设备（DUP）的电气应力非常重要。

5. 应用布局与选型建议

在ESD保护设计中，除了器件本身的参数外，PCB布局也起着至关重要的作用。应遵循以下原则：

将ESD保护器件尽可能靠近外部连接器放置，以减少走线中的寄生电感和电容。

将地脚直接连接到大面积地平面，以避免感性回路。

برای رابط‌های با فرکانس بالا مانند USB 3.0 یا HDMI، مدل‌هایی با ظرفیت کم (به عنوان مثال، CT ≤ 0.5pF) توصیه می‌شوند.

برای حفاظت چند کانال، در نظر داشتن آرایه‌های TVS یا ماژول‌های حفاظت ادغام شده پیشنهاد می‌شود.

(تصویر: تنظیمات مدار ساده در زمان ضربه ESD)

۶. خلاصه استانداردهای آزمایش ESD

استانداردهای متداول مقاومت به ESD شامل:

IEC 61000-4-2: استاندارد آزمایش مقاومت برق صاف سیستمی شبیه‌سازی مدل تخلیه بدن انسان؛ سطوح آزمایشی معمول شامل ±4kV و ±8kV می‌باشد.

JEDEC JESD22-A114: استاندارد آزمایش مدل بدن انسان (HBM) در سطح چیپ.

MIL-STD-883: استاندارد نظامی برای ارزیابی مقاومت برق صاف اجزا.

ANSI/ESD S20.20: استاندارد برای ایجاد سیستم‌های کنترل Bرق صاف، پوشش فرآیندهای تولید و کنترل محیطی.

7. نتیجه‌گیری

دیودهای محافظت Bرق صاف نقش بی‌نظیری در طراحی محصولات الکترونیکی مدرن دارند که با پاسخ سریع به رویدادهای Bرق صاف و کلید زدن ولتاژهای موقت عمل می‌کنند. هنگام انتخاب دستگاه‌های محافظت Bرق صاف، باید به سرعت پاسخ، ولتاژ کلید، مقاومت پویا و ظرفیت جونction توجه کرد. استقرار مناسب و طرح PCB بر اساس رابط‌های سیستم خاص نیز کلیدی برای دستیابی به عملکرد محافظت بهینه است.