หลักการทำงานของไดโอดป้องกัน ESD

การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) เป็นปรากฏการณ์ที่ประจุไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาในระยะเวลาอันสั้นเนื่องจากความต่างศักย์ระหว่างวัตถุที่มีประจุ มันสามารถทำให้เกิดความเสียหายอย่างถาวรต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่แม่นยำ เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พัฒนาไปสู่ความเร็วสูงและขนาดเล็กลง ความต้องการในการป้องกัน ESD ก็กลายเป็นเรื่องสำคัญมากขึ้น ไดโอดป้องกัน ESD ซึ่งเป็นส่วนประกอบในการป้องกันที่มีประสิทธิภาพและน่าเชื่อถือ ถูกใช้อย่างแพร่หลายในจุดสำคัญ เช่น อินเทอร์เฟซสัญญาณและการป้อนพลังงาน

1. หลักการทำงานพื้นฐานของไดโอดป้องกัน ESD

ไดโอดป้องกัน ESD มักประกอบด้วยการเชื่อมต่อ PN ที่ถูกเบาทวนกลับ กลไกหลักของมันใช้ประโยชน์จากการแตกตัวของไดโอดเพื่อทำการนำกระแสไฟฟ้าส่วนเกินออกสู่ดินอย่างรวดเร็วเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น การกระชากของ ESD เข้ามากระทบภายนอก สิ่งนี้ช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ที่อยู่ด้านหลังได้รับความเสียหาย

การดำเนินงานปกติ: เมื่อแรงดันไฟฟ้าของสายสัญญาณ (V _ใน ) อยู่ในช่วงระหว่าง 0 ถึงแรงดันปฏิบัติย้อนกลับสูงสุด (V _RWM ) ไดโอดจะปิดอยู่และมีพฤติกรรมเหมือนความจุที่ข้อต่อ (CT)

การนำไฟฟ้าเกินแรงดัน: เมื่อแรงดันเกินกว่าแรงดันแตกสลาย (V _Z เมื่อไดโอดเข้าสู่โหมดการเสียดสลายย้อนกลับ กระแสไฟฟ้าจะไหลและตรึงแรงดันไว้ที่ระดับหนึ่ง (V _C ) เพื่อป้องกันโหลด

ในสถานะการนำไฟฟ้า ไดโอดป้องกัน ESD สามารถจำลองได้เป็นการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของแหล่งแรงดันการตรึงและต้านทานพลวัต (R _DYN ) ประสิทธิภาพในการตรึงของมันนั้นเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างภายใน

(ภาพประกอบ: ตัวอย่างการเชื่อมต่อไดโอดป้องกัน ESD)

(ภาพประกอบ: วงจรเทียบเท่าของไดโอดป้องกัน ESD)

2. การวิเคราะห์พารามิเตอร์ไฟฟ้าที่สำคัญ

V _RWM (แรงดันปฏิบัติการกลับสูงสุด): แรงดันกลับสูงสุดที่อุปกรณ์สามารถทำงานได้โดยไม่มีการนำกระแส

V _Z (แรงดันแตกตัว): แรงดันต่ำสุดที่อุปกรณ์เริ่มนำกระแสในทิศทางกลับ ซึ่งกำหนดค่า порогตอบสนองของมัน

V _C (แรงดันไฟฟ้าในการตรึง): แรงดันไฟฟ้าข้ามอุปกรณ์ในระหว่างการนำกระแสที่กระแสเฉพาะเจาะจง ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความแข็งแกร่งของการป้องกันโดยตรง

R _DYN (ความต้านทานแบบพลวัต): ความต้านทานภายในในช่วงการนำ ซึ่งส่งผลต่อการลดลงของแรงดันไฟฟ้า ค่าที่ต่ำกว่าจะเป็นที่นิยม

CT (ความจุเชื่อมต่อ): ความจุพาราไซต์ที่แสดงออกในสถานะปิด ซึ่งส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณความเร็วสูงและควรถูกลดให้น้อยที่สุด

3. แบบจำลองวงจรเทียบเท่าในการทำงาน

ไดโอด ESD มีสถานะการทำงานทั่วไปสองแบบ:

ในสภาพการทำงานปกติ อุปกรณ์จะทำงานเหมือนกับคอนเดนเซอร์ขนาดเล็ก โดยส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพความถี่สูงเป็นหลัก

เมื่อเกิดการกระเพื่อมของ ESD ไดโอดจะเปลี่ยนไปสู่โหมดการนำไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว สร้างเส้นทางการบีบคั้นที่ประกอบด้วยความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าและแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า

ในทางปฏิบัติ แรงดันไฟฟ้าจาก ESD มีขอบขึ้นที่ชันมาก (<1 นาโนวินาที) ในเวลานี้ อินดักแทนซ์และแคปพาร์ซิตีแบบพาราไซต์ของเส้นทาง PCB ก็สามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพของการป้องกันได้ ดังนั้น การปรับแต่ง Layout เป็นสิ่งจำเป็น

4. การวิเคราะห์การตอบสนองต่อการกระเพื่อมของ ESD

สมมติว่าเหตุการณ์ ESD 8kV ถูกนำไปใช้กับอินเตอร์เฟซ ตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 กระแสกระเพื่อมสามารถสูงถึง 30A ได้ หากไดโอดมีความต้านทานไดนามิก 0.5Ω การลดลงของแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะจะเป็น 15V ซึ่งจะถูกเพิ่มเข้าไปในแรงดันไฟฟ้าสำหรับการบีบคั้น ดังนั้น การเลือกใช้อุปกรณ์ที่มี RDYN และ VC ต่ำจึงสำคัญ เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าในการบีบคั้นรวมและลดแรงกดดันทางไฟฟ้าต่ออุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน (DUP)

5. คำแนะนำในการจัดวางและการเลือกใช้งาน

ในการออกแบบการป้องกัน ESD นอกจากพารามิเตอร์ของอุปกรณ์เองแล้ว การจัดวาง PCB มีบทบาทสำคัญ ควรปฏิบัติตามหลักการดังนี้:

วางอุปกรณ์ป้องกัน ESD ให้ใกล้กับคอนเนคเตอร์ภายนอกที่สุดเพื่อลดความนำไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าแบบปรสิตในเส้นทางวงจร

เชื่อมต่อขากราวด์เข้ากับแผ่นกราวด์ขนาดใหญ่โดยตรงเพื่อหลีกเลี่ยงลูปเหนี่ยวนำ

สำหรับอินเทอร์เฟซความถี่สูง เช่น USB 3.0 หรือ HDMI แนะนำให้ใช้รุ่นที่มีความจุต่ำ (เช่น CT ≤ 0.5pF)

สำหรับการป้องกันหลายช่องสัญญาณ ให้พิจารณาใช้ TVS arrays หรือโมดูลป้องกันแบบบูรณาการ

(ภาพประกอบ: การจัดวางวงจรอย่างง่ายในระหว่างแรงดันไฟฟ้าสถิต)

สรุปเกี่ยวกับมาตรฐานการทดสอบ ESD

มาตรฐานการทดสอบความทนทานต่อ ESD ทั่วไปรวมถึง:

IEC 61000-4-2: มาตรฐานการทดสอบความทนทานต่อ ESD ในระดับระบบ โดยจำลองแบบจำลองการปล่อยประจุของร่างกายมนุษย์; ระดับการทดสอบทั่วไปรวมถึง ±4kV และ ±8kV

JEDEC JESD22-A114: มาตรฐานการทดสอบแบบ Human Body Model (HBM) ระดับชิป

MIL-STD-883: มาตรฐานทางทหารสำหรับการประเมินความต้านทานไฟฟ้าสถิตของอุปกรณ์

ANSI/ESD S20.20: มาตรฐานสำหรับการจัดตั้งระบบควบคุมไฟฟ้าสถิต ครอบคลุมกระบวนการผลิตและการควบคุมสภาพแวดล้อม

สรุป

ไดโอดป้องกัน ESD มีบทบาทสำคัญอย่างไม่อาจขาดได้ในการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อเหตุการณ์ ESD และควบคุมแรงดันชั่วขณะ เมื่อเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกัน ESD ควรถามถึงความเร็วในการตอบสนอง แรงดันควบคุม ความต้านทานพลวัต และความจุของขั้วต่อ การวางตำแหน่งที่เหมาะสมและการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ตามอินเทอร์เฟซของระบบเฉพาะก็เป็นปัจจัยสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพการป้องกันที่ดีที่สุด