¿Cómo funciona la protección ESD con diodos TVS?

Está mezclando dos soluciones ESD y mezclándolas: diodos de abrazadera de riel y diodos TVS.

Si está utilizando diodos de abrazadera de riel, entonces haga esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

• Los diodos de sujeción del riel SOLO sujetan los voltajes de línea en polarización directa.
• El voltaje de línea se mantiene entre$V_{dd} + |V_f| > V_{line} > GND-|V_f|$
• Los diodos de abrazadera de riel requieren que la fuente de alimentación esté presente para brindar protección.
• $V_r$>>$V_f$por lo tanto, uno de los diodos conducirá con polarización directa, lo que evitará que el voltaje de la línea aumente lo suficiente como para causar una ruptura inversa en el otro diodo. Por lo tanto, solo un diodo siempre conduce. No puede tener ambos conductores, por lo que no hay cortocircuito.

Si usa diodos TVS, entonces haga esto:

^{simular este circuito}

• El diodo TVS unidireccional sujeta picos positivos en ruptura inversa y sujeta picos negativos en polarización directa.
• El voltaje de línea se mantiene entre$|V_r| > V_{line} > GND-|V_f|$
• Los diodos TVS no requieren que la fuente de alimentación esté presente para brindar protección.

Si usa diodos TVS bidireccionales, entonces haga esto:

^{simular este circuito}

• El TVS bidireccional solo sujeta el voltaje de la línea mediante un diodo TVS unidireccional interno que se descompone en reversa mientras que el otro está polarizado hacia adelante.
• Mantiene el voltaje de línea entre$+|V_r+V_f| > V_{line} > -|V_r+V_f|$
• No requiere que la fuente de alimentación esté presente para brindar protección.

Ventajas del diodo de abrazadera de riel:

• Umbrales de abrazadera de voltaje más precisos
• Disipa menos calor en el diodo que el diodo TVS (ya que se sujeta con$V_{f}$y$|V_{f}| < |V_{r}|$)
• En cambio, la mayor parte de la energía del pico se descarga en el suministro, lo que significa que se puede manejar un pico más poderoso siempre que la fuente de alimentación pueda manejarlo.

Desventajas del diodo de abrazadera de riel:

• Necesita que la fuente de alimentación esté encendida para brindar protección

Ventajas del diodo TVS:

• Protege incluso sin fuente de alimentación

Desventajas del diodo TVS:

• Toda la energía en el pico se disipa como calor en el diodo TVS (esto es lo que le permite proteger incluso cuando no hay fuente de alimentación presente), lo que limita la potencia del pico que se puede manejar. Esto puede hacer que los diodos TVS sean grandes, lo que los hace caros.

Dicho todo esto, si realmente quisiera combinar la abrazadera del riel y los diodos TVS, usaría los diodos de la abrazadera del riel pero tendría el diodo inferior, D2, como un diodo TVS unidireccional. Sin energía, funciona como el circuito de diodo unidireccional. Con energía, funciona como el circuito de diodo de abrazadera de riel (siempre y cuando$|V_{r.TVS}| > Vdd + |V_{f.D1}|$). Si no fuera así, entonces el TVS se descompondría en reversa antes de que D1 se sesgara hacia adelante.

^{simular este circuito}

Si considera lo que realmente es el ESD de 8 kV en términos de resistencias y dispositivos de almacenamiento de energía, se verá así: -

Imagen de aquí .

El capacitor de 150 pF está cargado a +8,000 voltios, pero su circuito objetivo en realidad no recibe ese voltaje directamente; hay una resistencia de 330 ohmios en el camino. Eso significa que la corriente máxima entregada puede ser de hasta 24,24 amperios.

Entonces, cuando eso golpea el nodo del circuito llamado "pin 1", D2 está polarizado hacia adelante y recibe la peor parte del pico de 24 amperios y lo pasa al bus de CC de 6 voltios. Si la capacitancia en su bus de CC es (digamos) 100 uF, el voltaje comienza a aumentar a este ritmo: -

Pero, el tiempo CR para el pulso es de solo 330 x 150 E-12 = 50 ns, por lo que el voltaje puede aumentar solo 12 mV en esos 50 ns. Llevando esto a los extremos, realmente no se podía ver que el voltaje aumentaba mucho más de 0,1 voltios antes de que el pulso ESD se evaporara a la nada.

Pero, ¿cuánto voltaje cae el diodo cuando toma 24 amperios? Será de 1 o 2 voltios dependiendo del diodo, por lo que el voltaje máximo que se puede ver en el pin 1 podría ser tan alto como 8,1 voltios Y D1 (el otro diodo) permanecerá polarizado inversamente sin daño.

Por supuesto, 8.1 voltios aún podrían dañar gravemente su pin, por lo que la mayoría de la gente tendría una resistencia de 1 kohm para el mundo exterior desde donde están sus diodos (vea R1 a continuación). Esto luego restringe la corriente a 8000/1330 amperios = 6 amperios. El efecto dominó debe ser claro.

Aun así, no garantiza evitar fallas en el circuito y, además de la resistencia de 1 kohm mencionada anteriormente, se coloca otra resistencia de 1 kohm directamente en serie con el pin de entrada. La segunda resistencia (R2) hace uso de la hoja de datos del chip que le informaría cuál es la corriente máxima que podría inyectarse sin daño.

La descarga ESD también puede ser negativa, en cuyo caso D1 recibe la mayor parte de la corriente y la pasa (más segura) a tierra.

Además, si el pin 1 es una salida, es posible que no pueda vivir con un par de kohm de resistencias adicionales y se deben tomar diferentes medidas.