Как диодная зажимная схема защищает от перенапряжения и электростатического разряда?

Я всегда вижу эту схему, когда говорю о перенапряжении или защите от электростатического разряда (эта схема выполняет оба или только один?):

Однако я не понимаю, как это работает. Скажем, я вставил 20V на Vpin.

Таким образом, Vpin имеет более высокий потенциал, чем Vdd, поэтому ток течет через диод. Но напряжение на узле Vpin все еще составляет 20 В, а микросхема все еще видит 20 В - как это защищает внутреннюю схему? Кроме того, если событие ESD достигло 10 000 В для Vpin, как оно защищает внутреннюю схему?

Наконец, существует ли диод D2 для защиты от напряжения ниже Vss, или он имеет какое-то другое назначение?

Я попытался смоделировать эту схему, но по какой-то причине она не работает.

Цепь защищает от перенапряжения и электростатического разряда при определенных условиях. Основное предположение состоит в том, что Vd является «жестким» по сравнению с источником энергии на Vpin. Обычно это справедливо для Vd = источника питания, скажем, 1 A + емкость и Vpin - типичный источник сигнала. Если Vpin является, например, автомобильным аккумулятором, все ставки могут быть отключены относительно того, сколько времени пройдет до уничтожения D3. ,

Как показано, вход Vpin подключен к Vdd через диод D3. Либо
- вход будет ограничен одним диодным падением выше Vd, потому что у источника недостаточно энергии, чтобы поднять напряжение Vd, или
- Vd повысится до значения, близкого к Vpin, - только если Vpin намного «жестче», чем Vd. Не обычно, или
- D3 будет уничтожен как источник энергии и поглотит его

Обычно добавляют небольшой резистор - скажем, от 1 кОм до 10 кОм между Vpin и переходом D2 D3.

Vpin теперь должен сбросить ~ = Vpin-Vd через резистор.

ESD: та же схема работает аналогично ESD, который является «просто» источником энергии с более низким напряжением (как вы надеетесь). Опять же, последовательный входной резистор помогает. Такие аспекты, как время нарастания и доступная энергия и, возможно, даже время отклика диода, становятся важными.

Вы забываете, что эти источники напряжения "идеальны". Таким образом, если ваш вход 20 В непосредственно от источника питания, он всегда будет 20 В.

Добавьте туда последовательный резистор, и вы увидите, как он работает.

Я использовал LTspice для моделирования схемы.

R1 - входное сопротивление для некоторого вывода IC.

Я сделал развертки постоянного тока от -10 В до 10 В с шагом 1 В.

Как вы видите, когда я начинаю превышать 5,7 В, R1 видит только ~ 5,7 В.

Электростатические разряды имеют гораздо более высокое напряжение и работают только кратковременно, но это должно продемонстрировать защиту.

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

Тест ESD может подняться до + 8 кВ или до -8 кВ. Когда происходит разрядка + 8 кВ, ток протекает через D3 и пытается нейтрализовать себя. Когда происходит -8 кВ, ток протекает через D2.

В реальных условиях поставки VDD и VSS очень далеки. Когда возникает ESD, шип выпрыгнет из трассы VDD (или VSS) и создаст помехи для других компонентов.

Чтобы свести к минимуму эту нежелательную характеристику, всегда добавляйте заглушку между VDD и VSS; ближайший к D2 и D3.

«Когда Vin> Vcc + 0,7, или когда Vin <-0,7, один из диодов начнет проводить. Избыточное напряжение (что-либо выше 5,7 или ниже -0,7 передается либо на землю, либо обратно в источник питания». Я думаю, это объяснение от efox29 в значительной степени отвечает на ваш вопрос.

Ваша картина несколько вводит в заблуждение. Узел Vpin, на котором написано 20 В, никогда не достигнет 20 В. Когда Vpin начинает повышаться в напряжении (на своем пути до 20 В), то, как только оно становится выше напряжения Vdd (5 В + 0,7), диод D3 будет проводить и отправлять большую часть всего тока на узел Vdd, а Vpin не будет получить более высокое напряжение.

Точно так же D2 будет ограничивать напряжение Vpin, чтобы оно не было чем-то меньшим, чем Vss.

Задача Vdd - поддерживать разность потенциалов между Vdd и землей на уровне 5 В. если вы попытаетесь сделать VDD больше, чем 5 В, посылая ток в узел VDD, источник питания VDD пропустит этот дополнительный ток, который вы отправили на землю, так что VDD останется на уровне 5 В. если вы действительно требовали, чтобы на vin-узле было 20 В (относительно земли), то у вас есть два источника, требующие разных напряжений для одного и того же узла (думаю, они называют это «конфликтом источников»). Если источник 20 В на Vin достаточно силен, так что он может подавать больше тока, чем может поглотить шина 5 В vdd (и это должно быть много тока, & D3, вероятно, выйдет из строя с таким большим током), тогда узел Vdd будет быть вынужденным быть 19.3V от источника питания 20V.