Изучите принцип работы, эквивалентную схему, ключевые параметры и советы по выбору диодов защиты от ЭСП. Разработаны для защиты интерфейсов USB, HDMI и подачи питания, способны подавлять ЭСП ±8kV согласно IEC 61000-4-2 для обеспечения надежности системы.
Электростатический разряд (ЭСД) — это явление, при котором электрический заряд высвобождается за короткий промежуток времени из-за разницы потенциалов между заряженными объектами. Он может вызвать необратимый ущерб точным электронным устройствам. По мере того как электронные устройства продолжают развиваться в направлении более высокой скорости и миниатюризации, требования к защите от ЭСД становятся строже. Диоды защиты от ЭСД, как эффективные и надежные защитные компоненты, широко используются в критических точках, таких как сигнальные интерфейсы и входы питания.
1. Основной принцип работы диодов защиты от ЭСД
Диоды защиты от ЭСД обычно состоят из обратно поляризованного PN-перехода. Их основной механизм использует пробивные характеристики диода для быстрого проведения и отвода перетока тока к земле при подаче высокого напряжения, такого как импульс ЭСД. Это предотвращает повреждение последующих компонентов.
Нормальная работа: Когда напряжение на сигнальной линии (V В ) находится в диапазоне от 0 до Максимального Обратного Рабочего Напряжения (V RWM ), диод остается выключенным и работает как емкость перехода (CT).
Проводимость при Перенапряжении: Когда напряжение превышает Пороговое Напряжение (V З при этом диод входит в режим обратного пробоя, проводит ток и ограничивает напряжение определённым уровнем (V C ) для защиты нагрузки.
В состоянии проводимости диод защиты от ЭМИ можно смоделировать как последовательное соединение источника напряжения с ограничением и динамического сопротивления (R DYN ). Его способность к ограничению тесно связана с его внутренней структурой.
(Иллюстрация: Пример соединения диода защиты от ЭСП)
(Иллюстрация: Эквивалентная схема диода защиты от ЭСП)
2. Анализ ключевых электрических параметров
В RWM (Максимальное обратное рабочее напряжение): Наибольшее обратное напряжение, при котором устройство может функционировать без проводимости.
В З (Напряжение пробоя): Минимальное напряжение, при котором устройство начинает проводить ток в обратном направлении, определяя порог его реакции.
В C (Напряжение срабатывания): Напряжение на устройстве во время проводимого тока заданной величины, которое непосредственно отражает силу защиты.
R DYN (Динамическое сопротивление): Внутреннее сопротивление во время проводимости, влияющее на падение напряжения. Предпочтительны более низкие значения.
CT (Ёмкость перехода): Паразитная ёмкость, проявляемая в выключенном состоянии, которая влияет на целостность высокоскоростных сигналов и должна быть минимизирована.
3. Эквивалентные цепочные модели в работе
Диоды ЭСД имеют два типичных состояния работы:
В нормальных условиях устройство ведет себя как маленький конденсатор, главным образом влияя на высокочастотные характеристики.
При возникновении ЭМС-всплеска диод быстро переключается в режим проводимости, создавая путь ограничения, состоящий из эквивалентного последовательного сопротивления и источника напряжения.
На практике ЭМС-напряжение имеет очень крутой фронт (<1 нс). В это время паразитная индуктивность и емкость дорожек ПЛИС также могут влиять на эффективность защиты. Поэтому оптимизация размещения необходима.
4. Анализ реакции на ЭМС-всплеск
Предположим, что на интерфейс подается ЭМС-всплеск напряжением 8 кВ. Согласно IEC 61000-4-2, ток всплеска может достигать до 30 А. Если у диода динамическое сопротивление составляет 0,5 Ом, то падение напряжения будет равно 15 В, которое добавляется к напряжению ограничения. Таким образом, выбор устройств с низким RDYN и низким VC важен для снижения общего напряжения ограничения и минимизации электрического стресса на защищенном устройстве (DUP).
5. Рекомендации по макету и выбору схемы применения
При проектировании защиты от ЭСП, помимо параметров самого устройства, разводка печатной платы играет ключевую роль. Необходимо следовать следующим принципам:
Размещайте устройства защиты от ЭСП как можно ближе к внешним разъемам для уменьшения паразитных индуктивностей и емкостей в трассах.
Подключайте выводы заземления напрямую к большому заземляющему плоскому проводнику, чтобы избежать индуктивных петель.
Для высокочастотных интерфейсов, таких как USB 3.0 или HDMI, рекомендуется использовать модели с низкой емкостью (например, CT ≤ 0.5пФ).
Для многоканальной защиты рекомендуется использовать массивы TVS или интегрированные модули защиты.
(Иллюстрация: Простая схемная конфигурация во время ЭМ-импульса от статического электричества)
6. Обзор стандартов тестирования ЭМП
Общепринятые стандарты испытаний на устойчивость к ЭМП включают:
IEC 61000-4-2: Стандарт системного уровня испытаний на устойчивость к ЭМП, имитирующий модель разрядов от человеческого тела; типичные уровни испытаний включают ±4кВ и ±8кВ.
JEDEC JESD22-A114: Стандарт испытаний по модели человеческого тела (HBM) на уровне чипа.
MIL-STD-883: Военный стандарт для оценки сопротивления компонентов ЭСП (электростатическим разрядам).
ANSI/ESD S20.20: Стандарт для создания систем контроля ЭСП, охватывающий производственные процессы и контроль окружающей среды.
7. заключение
Диоды защиты от ЭСП играют неоценимую роль в проектировании современных электронных продуктов, быстро реагируя на события ЭСП и ограничивая переходные напряжения. При выборе устройств защиты от ЭСП необходимо учитывать скорость реакции, напряжение ограничения, динамическое сопротивление и ёмкость перехода. Грамотное размещение и макетирование печатной платы на основе конкретных системных интерфейсов также являются ключевыми факторами для достижения оптимальной защитной производительности.
EN
