Način rada ESD zaštitnog dioda

Elektrostatično otpuštanje (ESD) je pojava u kojoj se električna napetost otpušta u kratak period vremena zbog razlike potencijala između nabijenih objekata. Može uzrokovati nepopraćive štete preciznim elektronskim uređajima. Kako se elektronski uređaji nastavljaju da evoluju prema većoj brzini i miniaturizaciji, zahtevi za ESD zaštitom su postali stroži. ESD zaštitne diode, kao efikasni i pouzdani zaštitni komponenti, široko se koriste na ključnim tačkama kao što su signalni interfejsi i unos struje.

1. Osnovni način rada ESD zaštitnih dioda

Diodne štitove od ESD obično čine obrnuto polarisane PN spojeve. Njihov ježićni mehanizam koristi karakteristike preloma diode da brzo provede i odvede preveliku struju na zemlju kada se izvanjski primeni visoka napetost, kao što je talas ESD-a. To sprečava oštećenje komponenti dolje po liniji.

Normalna radjenja: Kada je napetost na signalu (V _U ) u opsegu od 0 do Maksimalne obrnute radne napetosti (V _RWM ), dioda ostaje isključena i ponaša se kao kapacitet spoja (CT).

Prevarenje napona: Kada se napon poveća iznad granice napona (V _Z ) diod ulazi u obrnuti režim prevarenja, proveduje struju i ograničava napon na određeni nivo (V _C ) kako bi zaštitio opterećenje.

U režimu provedivanja, ESD zaštiteni diod može da se modelira kao serijalna veza između izvora ograničavnog napona i dinamičkog otpora (R _DYN ). Njegova sposobnost zaklapanja je blisko povezana sa njegovom unutrašnjom strukturom.

(Ilustracija: Primer veze dioda zaštite od ESD)

(Ilustracija: Ekvivalentni krug diode zaštite od ESD)

2. Analiza ključnih električnih parametara

V _RWM (Maksimalno obrnuto radno napona): Najveće obrnuto napetost na kojoj uređaj može da radi bez provedivanja.

V _Z (Преција напон): Најмањи нapon од којег уређај почиње да приводи у обрнутом смјеру, одређујући његов порог одговора.

V _C (Напон спољавања): Напон преко уређаја током привода пријекодређеном струји, што директно отражава јачину заштите.

R _DYN (Динамички otpor): Унутрашњи otpor током привода, који утиче на пад напона. Преферираju се нижје вредности.

CT (Капацитет споја): Паразитни капацитет који се проявљује у искљученом стању, што утице на интегритет високобрзинских сигнала и треба минимизовати.

3. Еквивалентни модели кружница у раду

ESD diode imaju dva tipična stanja rada:

Tijekom normalnih uvjeta, uređaj se ponaša kao mali kondenzator, glavno utječući na visokofrekvencijsku performansu.

Kada dođe do ESD izbijanja, dioda brzo prelazi u režim provođenja, formirajući put anklampanja koji se sastoji od ekvivalentne serije otpornosti i napona izvora.

U praksi, ESD napetost ima vrlo strm uzlazni brid (<1 ns). U taj trenutak, parasitna induktivnost i kapacitancija traka PCB-a mogu također utjecati na učinkovitost zaštite. Stoga je optimizacija rasporeda potrebna.

4. Analiza odgovora na ESD izbijanje

Pretpostavimo da se na sučelje primeni ESD događaj od 8kV. Prema IEC 61000-4-2, impulsni tok može doseći do 30A. Ako dioda ima dinamički otpor od 0.5Ω, privremena spustna napetost će biti 15V, što se dodaje na otpornu napetost. Zbog toga, izbor uređaja sa niskim RDYN i niskim VC je važan kako bi se smanjila ukupna otporna napetost i minimizirao električni stres na zaštićenom uređaju (DUP).

5. Pravci rasporeda primene i preporuke za izbor

U dizajnu zaštite od ESD, pored parametara samog uređaja, raspored PCB igra ključnu ulogu. Treba pratiti sledeće principije:

Postaviti uređaje za zaštitu od ESD što bliže vanjskim konektorima kako bi se smanjila parazitna induktivnost i kapacitivnost u trakama.

Povezati zemljene pinove direktno na veliku površinu zemlje kako bi se izbegle induktivne petlje.

Za visoko-frekvencijske sučelja kao što su USB 3.0 ili HDMI, preporučuju se modeli s niskom kapacitandom (npr., CT ≤ 0.5pF).

Za zaštitu više kanala, razmotrite korišćenje TVS nizova ili integriranih modula zaštite.

(Ilustracija: Jednostavna shema pri ESD nagibima)

6. Pregled standarda za testiranje ESD

Uobičajeni standardi za testiranje otpornosti na ESD uključuju:

IEC 61000-4-2: Standard za testiranje otpornosti na elektrostatičku pucnju (ESD) na sistemsкоj razini, koji simulira model otpuštanja ljudskog tela; tipični nivoi testiranja uključuju ±4kV i ±8kV.

JEDEC JESD22-A114: Standard za testiranje po modelu ljudskog tela (HBM) na čip nivou.

MIL-STD-883: Vojska standard za procenu otpornosti komponenti na ESD.

ANSI/ESD S20.20: Standard za uspostavljanje sistema kontrole ESD, obuhvatajući proizvodne procese i kontrolu okruženja.

7. Zaključak

ESD zaštiteni diodi igraju neophodnu ulogu u dizajnu savremenih elektronskih proizvoda tako što brzo reaguju na događaje ESD i ograničavaju privremene napetosti. Prilikom izbora uređaja za ESD zaštitu treba uzeti u obzir brzinu reakcije, ograničavajuću napetost, dinamički otpor i kapacitet spojnica. Pravilno raspoređivanje i raspored PCB-a na osnovu specifičnih sistemskih sučelja je takođe ključno za postizanje optimalne performanse zaštite.