Išsamiai išanalizuoja ESD apsaugos diodų veikimo principą, ekvivalentinį grandinės schemą, pagrindinius parametrus ir jų pasirinkimo patarimus. Sukurtas USB, HDMI ir jėgos įvesties sąsajų apsaugai, gali sustabdyti ±8kV ESD virpesius pagal IEC 61000-4-2 standartą, kad užtikrintų sistemos patikimumą.
Elektrostatinis išlaidas (ESD) – tai reiškinys, kai elektrinio krūvio energija yra išleidžiama per trumpą laiką dėl potencialo skirtumo tarp užkrautos objektų. Tai gali sukelti neprieštaraujamą žalą tiksliai elektroniniam įrenginiui. Kuo toliau elektroniniai įrenginiai vystosi link didesnio greičio ir mažinimo, tuo griežtesni tampa ESD apsaugos reikalavimai. ESD apsaugos diodai kaip efektyvūs ir patikimi apsauginiai elementai yra plačiai naudojami svarbiuose taškuose, pvz., signalo sąsajose ir jėgos įvestyje.
1. Pagrindinis ESD apsaugos diodų dirbties principas
ESD apsaugos diodai dažniausiai sudaryti iš atvirkštinai poliarizuoto PN jungties. Jų pagrindinis mechanizmas naudoja diodo sužadinimo charakteristikas, kad greitai praleistų ir nukreiptų per daug amperinių į žemę, kai išorėje yra taikomas aukštas įtampas, pvz., ESD šuolis. Tai prevencijuojama žala toliau esantiems komponentams.
Normalusis veikimas: Kai signalo linijos įtampa (V Į ) yra viduje nuo 0 iki Maksimalios Atvirkštinės Darbo Įtampos (V RWM ), diodas lieka išjungtas ir elgiasi kaip jungčių kapacitetas (CT).
Perįtampos pravilkimas: Kai įtampa viršija Sprogimo Įtampą (V Z ), diodas pereina į atvirkštinį suartinimo režimą, praleidžia srovę ir fiksuoja voltą tam tikru lygiu (V C ) kad apsaugotų apkrovą.
Srovei leidžiamajame būsenoje ESD apsauginis diodas gali būti modeliuojamas kaip serijinis ryšys iš fiksuoto voltinio šaltinio ir dinaminės varžos (R DYN ). Jo fiksuojamoji našumas yra glaudžiai susijęs su jo vidiniu konstravimu.
(Ilustracija: Pavyzdys ESD apsaugos diodo jungimo)
(Ilustracija: Ekvivalentusis ESD apsaugos diodo grandinės schemą)
2. Pagrindinių elektros parametrų analizė
V RWM (Didžiausias atvirkštinis darbo įtampa): Aukščiausia atvirkštine įtampa, kuriuose įrenginys gali dirbti be praleidimo.
V Z (Sutrumpinimo įtampa): Minimali įtampa, nuo kurios įrenginys prasideda praleisti atvirkštinį srautą, nustatydamas jo reakcijos slenkstį.
V C (Sudarymo arba apsisaugos voltas): Voltai per įrenginį tarpinio einamio metu tam tikruoju einamuju, kuris tiesiogiai atspindi apsaugos jėgą.
R DYN (Dinaminis varžymas): Varniuotasis varžymas tarpinio einamio metu, paveikiantis voltų nuokrypiui. Mažesni reikšmės yra pageidautinos.
CT (Jungčių varikštė): Parazitine varikštė, parodyma išjungto būsenoje, kuri paveikia aukštos greičio signalų integritetę ir turėtų būti sumažinta.
3. Veikimo ekvivalentūs grandinių modeliai
ESD diodai turi du tipinius veikimo būsenas:
Įprastose sąlygose įrenginys elgiasi kaip mažas kondensatorius, pagrindiniu būdu paveikdamas aukščių dažnių veikimą.
Kai įvyksta ESD smūgis, diodas greitai perkaita į pravimo režimą, sudarant apribojimo taką, kuris sudarytas iš ekvivalentinio serijinio varžymo ir įtampos šaltinio.
Praktikoje ESD įtampa turi labai linkšnį kilimo brėžmenį (<1 ns). Šiuo metu PCB pjaustų parazitinis indukcija ir kondensatoriai taip pat gali paveikti apsaugos efektyvumą. Todėl yra būtina layout optimizacija.
4. ESD smūgio atsakymo analizė
Numanome, kad į sąsają taikomas 8kV ESD įvykis. Pagal IEC 61000-4-2, smūginis srovė gali pasiekti iki 30A. Jei diodas turi dinaminę varžymą 0,5Ω, tada persikaitanti įtampa bus 15V, kuri pridedama prie apribojimo įtampos. Todėl svarbu pasirinkti prietaisus su mažia RDYN ir mažia VC, kad sumažintume bendrą apribojimo įtampą ir sumažintume elektrinį stresą apsaugotam prietaisui (DUP).
5. Programos įrankio išdėstymo ir pasirinkimo rekomendacijos
ESD apsaugos dizaine, kartu su pačio įrenginio parametrais, svarbus vaidmuo priklauso nuo PCB išdėstymo. Reikia laikytis tokių principų:
ESD apsaugos įrenginius turite talpinti kuo artimiau išoriniams jungtyjei, kad sumažintumėte sekų parasitinę induktyvumą ir kapacitą.
Sužymekite žemyną pinus tiesiai prie didelio žemės plotino, siekdami išvengti induktyvumo ciklų.
Aukštos dažnio sąsajoms, tokiam kaip USB 3.0 arba HDMI, rekomenduojami modeliai su maža kapacitete (pvz., CT ≤ 0.5pF).
Norint saugoti daugiausia kanalų, verta apsvarstyti TVS masyvus arba integruotus apsaugos modulius.
(Ilustracija: Paprasta scheminė konfiguracija ESD virpavimo metu)
6. ESD testavimo standartų apžvalga
Populiariausi ESD atsparumo testavimo standartai apima:
IEC 61000-4-2: Sistemos lygio ESD atsparumo testavimo standartas, simuluojantis žmogaus kūno išlaidos modelį; tipiški testavimo lygiai apima ±4kV ir ±8kV.
JEDEC JESD22-A114: Standartinis modelis pagal Human Body Model (HBM) tyrimams elementų lygmeniu.
MIL-STD-883: Karinė standartizacijos sistema komponentams vertinant jų atsparumą elektrostatinei dėžingai (ESD).
ANSI/ESD S20.20: Norma ESD valdymo sistemoms, apimanti gamybos procesus ir aplinkos kontroliavimą.
7. Išvada
ESD apsaugos diodai ima nepakeičiamą vaidmenį šiuolaikiniame elektronikos produktų dizaine, greitai reaguodami į ESD įvykius ir fiksuojant pertraukčiųjų įtampų reikšmes. Pasirenkant ESD apsaugos prietaisų, reikia atsižvelgti į atsakymo greičio, fiksuojamojo įtampos, dinaminės varžymo ir jungties talpybės rodiklius. Teisingas jų panaudojimas bei printed circuit board (PCB) išdėstymas, atsižvelgiant į konkrečias sistemos sąsajas, taip pat yra būtini optimalios apsaugos našumui užtikrinti.
EN
