Ontdek het werkingsprincipe, equivalent circuit, belangrijke parameters en selectietips voor ESD-beveiligingsdioden. Ontworpen voor USB-, HDMI- en stroom invoerinterfacebescherming, in staat om ±8kV ESD-stoßen te onderdrukken volgens IEC 61000-4-2 om systeembetrouwbaarheid te waarborgen.
Elektrostatische ontlading (ESD) is een verschijnsel waarbij elektrische lading in een korte tijd wordt vrijgelaten door een potentiaalverschil tussen geladen objecten. Dit kan onherstelbare schade aan precieze elektronische apparaten veroorzaken. Terwijl elektronische apparaten blijven evolueren naar hogere snelheden en miniaturisering, zijn de eisen voor ESD-beveiliging strenger geworden. ESD-beveiligingsdioden, als efficiënte en betrouwbare beschermingscomponenten, worden breed gebruikt op cruciale punten zoals signaalinterfaces en voedinginvoeren.
1. Basiswerking van ESD-beveiligingsdioden
ESD-beveiligingsdioden bestaan doorgaans uit een omgekeerd gepolariseerde PN-schakeling. Hun kernmechanisme maakt gebruik van de doorslagkenmerken van de diode om overstromingen snel af te leiden naar de grond wanneer er extern een hoge spanning, zoals een ESD-stoot, wordt toegepast. Dit voorkomt schade aan onderstroomse componenten.
Normale werking: Wanneer de signaalspanning (V IN ) binnen het bereik van 0 tot de Maximaal Toegestane Omkeresspanning (V RWM ) ligt, blijft de diode uit en gedraagt zich als een junctioncapaciteit (CT).
Overspanningsgeleiding: Wanneer de spanning de Drempelspanning (V Z als de diode in de omgekeerde breakdown-modus komt, geleidt ze stroom en beperkt ze de spanning tot een bepaald niveau (V C ) om de belasting te beschermen.
In de geleidingsstaat kan de ESD-beschermingsdiode worden gemodelleerd als een reeksschakeling van een beperkende spanningbron en een dynamische weerstand (R DYN ). Haar beperkende prestaties zijn nauw verwant aan haar interne structuur.
(Illustratie: Voorbeeld van aansluiting van ESD-beveiligingsdiode)
(Illustratie: Equivalent schema van ESD-beveiligingsdiode)
2. Analyse van belangrijke elektrische parameters
V RWM (Maximale omkeringspanning): De hoogste omkeringspanning waarbij het apparaat kan functioneren zonder te geleiden.
V Z (Doorslagspanning): De minste spanning waarbij het apparaat begint te geleiden in omkering, bepalend voor zijn responsdrempel.
V C (Drukspanning): De spanning over het apparaat tijdens geleiding bij een gespecificeerde stroom, wat rechtstreeks weerspiegelt de sterkte van de bescherming.
R DYN (Dynamische weerstand): De interne weerstand tijdens geleiding, die invloed heeft op de spanningsdaling. Lagere waarden worden voorkeur gegeven.
CT (Junction Capacitance): De parasitaire capaciteit die wordt getoond in de uitgeschakelde staat, wat invloed heeft op hoge-snelheid signaalintegriteit en zo min mogelijk moet worden gehouden.
3. Equivalent Circuit Modellen in Bedrijf
ESD-diodes hebben twee typische toestanden van bedrijf:
Tijdens normale omstandigheden gedraagt het apparaat zich als een kleine condensator, met voornamelijk invloed op de hoogfrequentieprestaties.
Wanneer een ESD-stoott optreedt, schakelt de diode snel over naar geleidingsmodus, waardoor een beperkingspad ontstaat dat bestaat uit een equivalent reeksweerstand en spanningbron.
In de praktijk heeft de ESD-spanning een zeer steile stijflaag (<1 ns). Op dat moment kunnen de parasitaire inductantie en capaciteit van de PCB-traces ook de effectiviteit van de bescherming beïnvloeden. Daarom is layoutoptimalisatie noodzakelijk.
4. Analyse van ESD-stootrespons
Neem aan dat er een ESD-gebeurtenis van 8kV wordt toegepast op een interface. Volgens IEC 61000-4-2 kan de stoemspiegel tot 30A bereiken. Als de diode een dynamische weerstand van 0,5Ω heeft, zal de tijdelijke spanningendaling 15V bedragen, wat wordt toegevoegd aan de beperkingsspanning. Daarom is het belangrijk om apparaten te kiezen met een lage RDYN en een lage VC om de totale beperkingsspanning te verminderen en elektrische belasting op het beschermd apparaat (DUP) te minimaliseren.
5. Toepassingsindeling en selectierecommendaties
In ESD-beveiligingsontwerp spelen behalve de parameters van het apparaat zelf, de PCB-indeling een cruciale rol. De volgende principes dienen gevolgd te worden:
Plaats ESD-beveiligingsapparaten zo dicht mogelijk bij externe aansluitingen om parasitaire inductantie en capaciteit in traceringen te verminderen.
Verbind de grondpinnen rechtstreeks met een groot grondvlak om inductieve lussen te voorkomen.
Voor hoogfrequente interfaces zoals USB 3.0 of HDMI wordt een laagcapacitieve model (bijv., CT ≤ 0,5pF) aanbevolen.
Voor multi-kanaal bescherming kun je overwegen TVS-arrays of geïntegreerde beschermingsmodules te gebruiken.
(Illustratie: Eenvoudige Schakeling Configuratie Tijdens ESD Stroomstoot)
6. Overzicht van ESD Teststandaarden
Gemeenschappelijke ESD-immuniteitsteststandaarden omvatten:
IEC 61000-4-2: Systeemniveau ESD-immuniteitsteststandaard die de ontlading van het menselijk lichaam simuleert; typische testniveaus omvatten ±4kV en ±8kV.
JEDEC JESD22-A114: Human Body Model (HBM) teststandaard op chipniveau.
MIL-STD-883: Militaire norm voor het evalueren van ESD-weerstand van componenten.
ANSI/ESD S20.20: Standaard voor het instellen van ESD-controlesystemen, met inbegrip van productieprocessen en milieucontrole.
7. conclusie
ESD-beveiligingsdioden spelen een onmisbaar rol in de moderne elektronische productontwerp door snel te reageren op ESD-gebeurtenissen en tijdelijke spanningen te beperken. Bij het selecteren van ESD-beveiligingsapparaten moet er rekening worden gehouden met responsnelheid, beperkingspanning, dynamische weerstand en knopcapaciteit. Juiste implementatie en PCB-opbouw gebaseerd op specifieke systeeminterfaces zijn ook essentieel om optimale beschermingsprestaties te behalen.
EN
