Funkčný princíp ESD ochranného diódy

Elektrostatická vypálenosť (ESD) je jav, pri ktorom sa uvoľní elektrický náboj v krátkej dobe kvôli rozdielu potenciálu medzi nabitými objektmi. Môže spôsobiť nevratnú pošodenie presnej elektronických zariadení. Keď sa elektronické zariadenia ďalej vyvíjajú smerom k vyššej rýchlosti a miniaturizácii, požiadavky na ochranu pred ESD sa stali prísnejšie. ESD ochranné diody ako efektívne a spoľahlivé ochranné komponenty sa široko používajú na kritických miestach, ako sú signálové rozhrania a vstupy napájania.

1. Základný funkčný princíp ESD ochranných diód

ESD ochranné diody sú typicky tvorené reverzne polarizovaným PN prechodom. Ich základný mechanizmus využíva prelomené vlastnosti diódy na to, aby rýchlo prevádzali a odvádzali prekoreňujúci prúd na zem, keď je externé napätie, ako je ESD prelom, aplikované. Toto zabráni poškodeniu komponentov v dolnej časti obvodu.

Normálny prevod: Keď je napätie na signálovej čiarky (V _V ) v rozsahu od 0 po Maximálne reverzné pracovné napätie (V _RWM ), dióda je vypnutá a správa sa ako kapacita spojenia (CT).

Prevod pri prekročení napätia: Keď napätie prekročí Spadolové napätie (V _Z keď dióda prejde do režimu reverzného prerušenia, prevádza prúd a zablokuje napätie na určitú úroveň (V _C ) na ochranu záťaže.

V stave prevodu môže byt ESD ochranná dióda modelovaná ako sériové spojenie zablokovaného zdroja napätia a dynamického odporu (R _DYN ). Jej schopnosť blokovania je blízko spätá s jej vnútornou štruktúrou.

(Ilustrácia: Príklad pripojenia diódy na ochranu pred ESD)

(Ilustrácia: Ekvivalentný obvod diódy na ochranu pred ESD)

2. Analýza kľúčových elektických parametrov

V _RWM (Maximálny reverzný pracovný napätie): Najvyššie reverzne napätie, pri ktorom môže zariadenie fungovať bez prevodu.

V _Z (Prelomové napätie): Minimálne napätie, pri ktorom zariadenie začne prevádzať v reverznom režime, určujúce jeho práh reakcie.

V _C (Uťažovacie napätie): Napätie na zariadení počas vodivosti pri určitej sile prúdu, čo priamo odrazuje silu ochrany.

R _DYN (Dynamická odpor): Vnútorný odpor počas vodivosti, ktorý ovplyvňuje pokles napätia. Preferujú sa nižšie hodnoty.

CT (Kapacita spojenia): Parazitná kapacita prejavovaná v stave vypnutého stavu, ktorá ovplyvňuje integrity vysokorýchlostných signálov a mala by byť minimalizovaná.

3. Ekvivalentné obvodové modely v prevádzke

ESD diody majú dva typické stavy prevádzky:

Počas normálnych podmienok sa zariadenie správa ako malý kondenzátor, ktorý hlavne ovplyvňuje výkon na vysokých frekvenściach.

Keď dojde ku prehmatu ESD, dióda rýchlo prepnutí do režimu prevodu, tvoriac cestu na prerušenie, ktorá sa skladá z ekvivalentnej sériovej odpornosti a zdroja napätia.

V praktickom živote má prehmat ESD veľmi ostrú narastovú hranu (<1 ns). V tento čas môžu tiež ovplyvniť účinnosť ochrany parasitné indukcie a kapacita stopy PCB. Preto je optimalizácia rozloženia nevyhnutná.

analýza odpovede na prehmat ESD

Predpokladajme, že na rozhranie je aplikovaná udalosť ESD 8kV. Podľa IEC 61000-4-2 môže prehmatový prúd dosiahnuť až 30A. Ak má dióda dynamický odpor 0,5Ω, transitné napätie bude 15V, čo sa pripočítava k napätiu prerušenia. Preto je dôležité vyberať zariadenia s nízkym RDYN a nízkym VC, aby sa znížilo celkové napätie prerušenia a minimalizovali sa elektrické zátěži ochraneného zariadenia (DUP).

5. Rozloženie aplikácie a odporúčania vo výbere

V dizajne ochrany pred ESD sa okrem parametrov zariadenia samotného kľúčovou rol'ou hraje rozloženie PCB. Mala by sa dodržiavať nasledujúca pravidlá:

Umiestnite zariadenia na ochranu pred ESD čo najbližšie ku vonkajším spojeniam, aby sa znížila parasitná indukcia a kapacita v pásach.

Pripojte zemné piny priamo k veľkej zemnej ploche, aby sa vyhli inductívne smyčky.

Pre vysokočastotné rozhrania ako je USB 3.0 alebo HDMI sa odporúčajú modely s nízkou kapacitou (napr., CT ≤ 0,5pF).

Pre ochranu viacerých kanálov vvažte použitie TVS polí alebo integrovaných ochranných modulov.

(Ilustrácia: Jednoduchá obvodová konfigurácia počas ESD prepadu)

6. Prehľad štandardov testov ESD

Bežné štandardy testov odolnosti predčas ESD zahŕňajú:

IEC 61000-4-2: Systémový štandard na testovanie odolnosti predčas ESD simulujúci model vypustenia ľudského tela; typické úrovne testovania zahŕňajú ±4kV a ±8kV.

JEDEC JESD22-A114: Štandard testovania podľa modelu ľudského tela (HBM) na čipy.

MIL-STD-883: Vojenský štandard na vyhodnocovanie odolnosti komponentov pred ESD.

ANSI/ESD S20.20: Štandard pre vytváranie systémov kontroly ESD, ktorý zahŕňa produkčné procesy a kontrolu prostredia.

7. Záver

ESD ochranné diody majú nevyhnutnú úlohu v dizajne súčasnej elektronickej produkcie, keďže rýchlo reagujú na udalosti ESD a omeňujú prechodné napätia. Pri výbere zariadení na ochranu pred ESD je potrebné brať do úvahy rýchlosť reakcie, omeňovacie napätie, dynamickú odporivosť a kapacitu spojení. Správne umiestnenie a rozloženie PCB na základe konkrétnych systémových rozhraní sú tiež kľúčové pre dosiahnutie optimálneho výkonu ochrany.