Bagaimana sirkuit penjepit dioda melindungi terhadap tegangan lebih dan ESD?

Saya selalu melihat sirkuit ini ketika berbicara tentang tegangan lebih atau perlindungan ESD (apakah sirkuit ini menyelesaikan keduanya, atau hanya satu?):

Namun, saya tidak mengerti cara kerjanya. Katakanlah saya menaruh 20V di Vpin.

Jadi Vpin berada pada potensi yang lebih tinggi daripada Vdd, sehingga arus mengalir melalui dioda. Tetapi tegangan pada simpul Vpin masih 20V dan IC masih melihat 20V - bagaimana ini melindungi sirkuit internal? Lebih jauh, jika suatu peristiwa ESD mencapai 10.000V ke Vpin bagaimana ia melindungi sirkuit internal?

Akhirnya, apakah dioda D2 ada untuk melindungi terhadap tegangan di bawah Vss, atau apakah ada tujuan lain?

Saya telah mencoba mensimulasikan rangkaian ini, tetapi untuk beberapa alasan tidak berfungsi.

Sirkuit melindungi terhadap tegangan berlebih dan ESD tergantung pada kondisi tertentu. Asumsi utama adalah bahwa Vd "kaku" dibandingkan dengan sumber energi pada Vpin. Ini biasanya berlaku untuk Vd = catu daya katakanlah 1 A + kapabilitas dan Vpin adalah sumber sinyal yang khas. Jika Vpin adalah misalnya aki mobil, semua taruhan dapat dimatikan untuk berapa lama sebelum D3 dihancurkan. .

Seperti yang ditunjukkan, input Vpin terhubung ke Vdd via diode D3. Entah
- Input akan dijepit ke satu penurunan dioda di atas Vd karena sumbernya tidak memiliki energi yang cukup untuk menaikkan tegangan Vd atau
- Vd akan naik mendekati Vpin - hanya jika Vpin lebih "kaku" daripada Vd. Tidak biasanya, atau
- D3 akan dihancurkan sebagai sumber energi dan menenggelamkannya

Biasanya menambahkan resistor kecil - katakan 1k hingga 10k antara Vpin dan persimpangan D2 D3.

Vpin sekarang harus jatuh ~ = Vpin-Vd melintasi resistor.

ESD: Sirkuit yang sama bekerja dengan cara yang sama untuk ESD yang merupakan "hanya" sumber energi tegangan rendah yang lebih tinggi (Anda harap). Sekali lagi, resistor masukan seri membantu. Aspek-aspek seperti waktu naik dan energi tersedia dan bahkan mungkin waktu respons dioda menjadi penting.

Anda lupa bahwa sumber tegangan ini "ideal". Jadi, jika input Anda 20V langsung dari pasokan, itu akan selalu 20V.

Lempar resistor seri di sana dan Anda dapat melihat cara kerjanya.

Saya menggunakan LTspice untuk memodelkan sirkuit.

R1 adalah resistansi input untuk beberapa pin IC.

Saya melakukan sapuan DC dari -10V ke 10V dengan kenaikan 1V.

Seperti yang Anda lihat, ketika saya mulai membahas 5.7V, R1 hanya melihat ~ 5.7V.

ESD adalah tegangan yang jauh lebih tinggi dan hanya berlangsung sesaat, tetapi ini harus menunjukkan perlindungan.

$V_{pin} > V_{dd}+0.7$$V_{pin} < -0.7$

Tes ESD bisa naik ke + 8kV atau turun ke -8kV. Ketika pelepasan + 8kV terjadi, arus akan mengalir melalui D3 dan mencoba menetralkan dirinya sendiri. Ketika -8kV terjadi, arus akan mengalir melalui D2.

Dalam aplikasi dunia nyata, pasokan VDD dan VSS sangat jauh. Ketika ESD terjadi, lonjakan akan melompat keluar dari jejak VDD (atau VSS) dan mengganggu komponen lainnya.

Untuk meminimalkan karakteristik yang tidak diinginkan ini, selalu tambahkan penutup massal antara VDD dan VSS; terdekat dengan D2 dan D3.

"Ketika Vin> Vcc + 0,7, atau ketika Vin <-0,7, salah satu dioda akan mulai melakukan. Tegangan berlebih (apa pun di atas 5,7 atau di bawah -0,7 akan dilewatkan ke tanah atau kembali ke pasokan" Saya pikir penjelasan ini dari efox29 cukup banyak menjawab pertanyaan Anda.

Gambar Anda agak menyesatkan. Node Vpin tempat Anda menulis 20V diharapkan tidak akan pernah mencapai 20V. Ketika Vpin mulai naik tegangan (dalam perjalanan hingga 20V) maka segera setelah ia naik di atas tegangan Vdd (5V + 0,7) dioda D3 akan melakukan dan mengirim sebagian besar arus ke node Vdd dan Vpin tidak akan mendapatkan tegangan yang lebih tinggi.

Demikian juga D2 akan menjepit tegangan Vpin agar tidak kurang dari Vss

tugas penyedia rel Vdd adalah menjaga perbedaan potensial antara Vdd dan ground pada 5V. jika Anda mencoba untuk membuat vdd lebih besar dari 5v dengan mengirimkan arus ke simpul vdd, pasokan rel Vdd akan melewati arus ekstra ini yang Anda kirim ke ground sehingga vdd tetap di 5v. jika Anda benar-benar menuntut agar simpul vin berada pada 20v (sehubungan dengan pentanahan) maka Anda memiliki dua sumber yang menuntut voltase berbeda untuk simpul yang sama (anggap mereka menyebutnya "pertengkaran sumber"). Jika sumber 20V di Vin cukup kuat sehingga dapat memasok lebih banyak arus daripada rel vdd 5v dapat tenggelam (dan ini harus banyak saat ini, & D3 mungkin akan gagal dengan begitu banyak arus) maka simpul Vdd akan dipaksa menjadi 19.3V oleh pasokan vin 20V.