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ESD二极管保护电路的应用有哪些?
2023-06-08 01:02:00
为保护敏感电路免受电气过应力故障,ESD在接口连接器和集成电路之间,保护二极管连接每条信号线。发生静电危险时,ESD二极管被击穿,产生一个低阻抗路径,通过将电流转移到地面来限制电路的峰值电压和电流,从而保护整个集成电路。
说到半导体器件的稳定性,我们无法逃避一个话题,那就是,ESD和浪涌。无论什么样的应用,从消费电子到汽车电子,设备在高速传输过程中都不可避免地会产生潜在的破坏性电压和电流。一旦发生风险,电路将立即被烧毁。
ESD其实质是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。大多数电子元件在数百伏电压下会损坏,有些设备甚至不需要数百伏电压,几十伏电荷会损坏。通常,我们需要高效的保护元件来保护电路。当两个电极受到反向瞬态和高能量的影响时,它们可以吸收浪涌,形成对后电路的有效保护。
ESD二极管保护电路
电路中不存在ESD如果受到保护,高压通过接口连接产生ESD冲击会导致大电流峰值直接流入集成电路,造成损坏。为保护敏感电路免受电气过应力故障,ESD在接口连接器和集成电路之间,保护二极管连接每条信号线。
发生静电危险时,ESD二极管被击穿,产生一个低阻抗路径,通过将电流转移到地面来限制电路的峰值电压和电流,从而保护整个集成电路。在抗静电措施中,这种接地方法是最基本、最直接、最有效的。即使使用这种基本方法生成低阻抗路径,电路的峰值电压也会与以前大不相同,并且在数量级上存在差异。
ESD保护有几个方面需要注意。首先,工作电压是自然的。接口信号电压不得超过ESD设备在负方向或正方向的工作电压,以防止不必要的击穿。电容器也需要关注,因为ESD二极管与信号轨迹并行连接,因此它们给系统增加了一些寄生电容。ESD在高速接口中,设备的电容尤为重要,电容必须尽可能小,否则信号的完整性会受到干扰,原有的保护也会成为负担。
通过IEC10000-2标准意味着ESD设备具有较高的鲁棒性,IEC10000-2额定值越高,ESD设备所能承受的电压越高。ESD设备可以有多种通道和配置。根据不同的接口,多通道设备可以节省比单通道设备更多的板式空间,而单通道设备可以提供比多通道解决方案更多的设计灵活性。
ESD防护的应用
4-20在工业场景中很常见mA以信号标准为例,该标准是工业应用中最流行的AD8056ARM传感器信号传输接口之一。PLC为系统提供电压源,传感器使用电压源4-20ma从外部环境接收到的数据以电流的形式传输。这种4-20mA环路的优点是传输数据几乎没有信号丢失。不过,4-20mA使用的电缆往往很长,现在有向更长电缆发展的趋势,这意味着电缆往往很长,这意味着ESD电缆上的系统很容易与浪涌脉冲耦合。
我们可以看到,4-20-mA使用的连接器和保护装置对静电保护有很高的要求,尽量减少电缆上的风险耦合,满足要求IEC61000-4-2和IEC标准等级61000-4-5ESD二极管是必要的ESD在发射机、电源和接收器放置二极管之前,保护设备免受4-20的耦合mA电缆上的浪涌或静电冲击。
图:4-20mA环路电路保护,TI。
大多数4-20-mA电压源都是24V,因此,在此环路中进行了配置ESD二极管通常是工作电压略高的二极管。此外,它受到限制PLC,I/O保护二极管尺寸的模块和现场发射器的空间越小越好。
这个工业系统中的低动态电阻和低钳位电压ESD这是保护器件中非常重要的指标。IEC61000-2级只是说明ESD二极管本身能承受多少电压,这个额定值并不意味着二极管下游的电路能否得到保护。ESD二极管的钳位电压决定了下游IC是否会受到保护。一定要希望钳位电压越低越好,这样下游电路就能尽可能少地暴露在击穿环境中。
正如上面提到的,电容器不能被忽略。整个回路将有一个电容预算,尽管根据系统设计最大的不同ESD电容值会有一些差异,流行的高速接口也会有一些电容范围,比如GPIO需要<30pF的电容,HDMI需要<0.5pF以太网的电容一般为4pF下面等等。一般电容在工业通信场景中为3pF比较合适。
小结
对于ESD在保护方面,并不是保护电压越高越好。ESD保护效率的最佳参数是钳位电压。钳位电压差意味着电路对瞬态电压更加敏感。提高电路可靠性是保护端口和接口免受各种瞬态过压事件影响的重要环节。另一方面,ESD除了提供足够的保护外,保护对工业系统的信号完整性也有很大的影响。
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