Confusión del circuito del diodo de protección ESD

En el siguiente circuito, entiendo que cuando hay un pico o un aumento en la línea de datos superior a Vcc, el diodo superior conduce y el voltaje fluye hacia la ruta para proteger el IC/circuito aguas abajo.

Pero, ¿cómo fluye ese voltaje hacia el Vcc superior, que probablemente sea una fuente de alimentación? ¿O me estoy perdiendo algo?ingrese la descripción de la imagen aquí

Un "pico" y un "aumento sostenido" son cosas diferentes y requieren soluciones diferentes. La estructura que se muestra solo es buena para picos cortos de ESD, siempre que haya un buen condensador de derivación de baja ESR de Vcc a GND cerca de los diodos.

Respuestas (4)

Hay fuentes de alimentación de "cuatro cuadrantes" que pueden hacer lo que usted piensa que no harán, pero incluso si el suministro no es tal, la energía se destinará a cargar la capacitancia entre Vcc y GND (tanto el condensador de salida de la fuente de alimentación como el desacoplamiento del tablero).

Esto es mejor que no tener la protección porque la energía de un evento de ESD se dispersa, por lo que el voltaje es mucho menor en cualquier punto.

Vcc será algo más alto por un momento pero esto tiene poco efecto.

¿Qué sucede si el sobrevoltaje no es momentáneo sino constante durante un período prolongado? ¿Ese aumento más largo en Vcc causaría problemas en otro lugar?
Si la sobretensión es constante durante mucho tiempo, es muy poco probable que se deba a ESD.
No necesita un suministro de cuatro cuadrantes siempre que la corriente de sujeción inyectada en el riel Vcc esté por debajo del consumo de corriente del circuito completo. Un simple KCL prueba que hasta ahora la fuente de alimentación aún está generando corriente.

Lo que se está perdiendo son dos cosas, (a) que el pico de ESD generalmente es producido por un pequeño capacitor (el modelo de "cuerpo humano" aceptado industrialmente es 100pF) y, por lo tanto, es corto ( 100 ns típico ), y (b) que cualquier los rieles de la fuente de alimentación tienen incorporados capacitores de derivación sustanciales (al menos 100,000 pF y mucho más). Entonces, en caso de un pico de ESD, la carga de corta duración es fácilmente "absorbida" por esos capacitores sin un aumento notable en Vcc.

De hecho, se recomienda enfáticamente colocar las tapas de 0,1 uF lo más cerca posible de los diodos de protección ESD.

Si se refiere a cómo proteger una entrada de una sobretensión sostenida durante mucho tiempo , entonces la ruta de la señal debe tener una especie de divisor de voltaje conmutable. Un ejemplo sería esta patente de EE. UU ., donde un transistor N-MOS esencialmente desconecta la entrada cuando supera el voltaje de umbral de la puerta.

Gracias, tenía la impresión de que este circuito haría tanto ESD como un evento de sobretensión. La confusión vino de estar acostumbrado a ver que un TVS se usa para ESD
@ohmmy, este circuito se puede usar para proteger contra sobretensiones si puede pagar una resistencia limitadora por adelantado, digamos, 200 ohmios, de modo que la capacitancia de entrada de su IC no degrade gran parte de sus bordes de señal. Para señales por debajo de 10-30 MHz, esto no debería ser un problema.

El objetivo de los diodos/dispositivos ESD es proteger el circuito interno que se encuentra en el bloque TTL CMOS en su figura. Un pico de voltaje en el pad de E/S necesariamente dañará los óxidos de puerta de los mosfets/transistores en la ruta del circuito. Para evitar eso, los diodos actúan como un camino resistivo muy bajo para voltajes superiores a Vcc e inferiores a Gnd. Cuando el pad se acciona con un voltaje superior a Vcc, el diodo superior conduce una corriente enorme y protege completamente el circuito interno, ya que su impedancia de observación es bastante alta en comparación con las rutas de los diodos. Lo mismo ocurre cuando la almohadilla tiene un pico de voltaje negativo.

La mayoría de los circuitos de tecnología CMOS tienen configuraciones basadas en ggNMos como protección ESD que actúa de manera similar al caso anterior.

Sí, pero lo que me preguntaba es, cuando hay voltaje en el puerto de E/S que es más alto que Vcc, ¿a dónde va cuando conduce el diodo superior? ¿Simplemente se fusionó con el voltaje Vcc existente? ¿Eso no causa ningún problema ya que se sumará?
Piense en la fuente de Vcc como un suministro infinito de cargas positivas, ya que es una batería de buena calificación energética. Ahora, el pico que ves en la almohadilla generalmente tendrá una cantidad muy pequeña de energía ya que ocurre por un corto período de tiempo. Cuando este es el caso, el voltaje de la fuente Vcc se ve afectado como usted piensa, pero la magnitud es muy pequeña debido a las diferencias de energía entre ellos.
¿Qué pasa si es más largo que un corto período de tiempo? ¿Como si no fuera solo ESD sino una situación de sobretensión en la entrada de señal?
@ohmmy, si hay un voltaje constante más alto que Vcc, entonces no se debe considerar como un evento de ESD, ya que parece provenir incorrectamente de otra fuente donde se supone que la almohadilla no debe tener un voltaje constante más alto que Vcc.
@ohmmy Pero, si el voltaje en el pad está dentro del rango de ruptura de los elementos del circuito en el bloque CMOS, supongo que puede pensar que habrá una fuga constante de corriente del pad a Vcc que luego depende de las especificaciones de el pad de E/S sobre cuánta corriente se puede extraer, etc.
Entonces, ¿esta disposición de diodos es solo para protección ESD? ¿El problema de sobretensión no estaría protegido?
Sí, solo puede proteger contra golpes de ESD.

La pregunta era: "¿cómo fluye ese voltaje hacia el Vcc superior". Los diodos solos no protegerían la entrada. También hay abrazaderas ESD, que no se ahogan en su circuito. Esta abrazadera puede actuar muy rápido y corta VCC a VSS/GND con una resistencia muy baja una vez que se detecta un evento de ESD. La corriente** fluirá allí.

Los circuitos ESD deberían proteger los chips incluso antes de montarlos en una PCB, por lo que no siempre hay un gran límite de derivación.

También tenga en cuenta que los diodos se abrirán realmente si su caída de tensión directa se aproxima a un umbral, que normalmente es de alrededor de 0,6 V.

Notas finales:

  • Asumí un solo suministro. Con múltiples dominios de suministro se vuelve un poco más complicado, pero el principio sigue siendo el mismo.

  • Los voltajes caen en un dispositivo, mientras que la corriente fluye.

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