Como um circuito de fixação de diodo protege contra sobretensão e ESD?

Eu sempre vejo esse circuito quando falo sobre proteção contra sobretensão ou ESD (esse circuito realiza os dois ou apenas um?):

No entanto, eu não entendo como isso funciona. Digamos que eu coloquei 20V em Vpin.

Portanto, o Vpin tem um potencial maior que o Vdd, portanto a corrente flui através do diodo. Mas a tensão no nó Vpin ainda é 20V e o IC ainda vê 20V - como isso protege o circuito interno? Além disso, se um evento ESD atingir 10.000 V a Vpin, como ele protege os circuitos internos?

Finalmente, o diodo D2 está lá para proteger contra uma tensão abaixo de Vss, ou tem algum outro propósito?

Eu tentei simular este circuito, mas por algum motivo ele não funciona.

O circuito protege contra sobretensão e ESD sujeito a certas condições. A principal suposição é que Vd é "rígido" em comparação com a fonte de energia em Vpin. Isso geralmente é verdade para Vd = fonte de alimentação, digamos, 1 A + capacidade e Vpin é uma fonte de sinal típica. Se o Vpin for, por exemplo, uma bateria de carro, todas as apostas podem ser desatualizadas quanto tempo leva para que D3 seja destruído. .

Como mostrado, a entrada Vpin é conectada ao Vdd via diodo D3. Ou
- A entrada será presa a uma queda de diodo acima de Vd porque a fonte não tem energia suficiente para aumentar a tensão de Vd ou
- Vd aumentará para perto de Vpin - somente se Vpin for muito "mais rígido" que Vd. Normalmente não, ou
- D3 será destruído como fonte de energia e afundará

É comum adicionar um pequeno resistor - digamos 1k a 10k entre Vpin e a junção D2 D3.

O Vpin agora deve cair ~ = Vpin-Vd através do resistor.

ESD: O mesmo circuito funciona da mesma maneira para ESD, que é "apenas" uma fonte de energia de alta tensão e baixa energia (você espera). Novamente, um resistor de entrada em série ajuda. Aspectos como tempo de subida e energia disponível e possivelmente até tempo de resposta do diodo se tornam importantes.

Você está esquecendo que essas fontes de tensão são "ideais". Portanto, se sua entrada for 20V diretamente de uma fonte, ela sempre será 20V.

Coloque um resistor em série e você poderá ver como ele funciona.

Eu usei LTspice para modelar o circuito.

R1 é a resistência de entrada para alguns pinos IC.

Eu fiz uma varredura DC de -10V a 10V com incrementos de 1V.

Como você vê, quando começo a ultrapassar 5,7V, o R1 vê apenas 5,7V.

Os ESDs têm voltagem muito maior e duram apenas um breve momento, mas isso deve demonstrar a proteção.

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

O teste ESD pode ir até + 8kV ou até -8kV. Quando ocorre uma descarga de + 8kV, a corrente flui através de D3 e tenta se neutralizar. Quando -8kV acontece, a corrente fluirá através de D2.

Na aplicação do mundo real, o fornecimento de VDD e VSS está muito longe. Quando o ESD acontece, o pico salta do rastreio do VDD (ou VSS) e interfere com outros componentes.

Para minimizar essa característica indesejada, sempre adicione um limite máximo entre VDD e VSS; mais próximo de D2 e ​​D3.

"Quando Vin> Vcc + 0,7, ou quando Vin <-0,7, um dos diodos começará a ser conduzido. A tensão em excesso (qualquer coisa acima de 5,7 ou abaixo de -0,7 é passada para o terra ou para o suprimento". Acho que esta explicação do efox29 praticamente responde à sua pergunta.

Sua imagem é um pouco enganadora. Espera-se que o nó Vpin em que você tenha 20V escrito nunca atinja 20V. Quando o Vpin começa a aumentar a tensão (a caminho de até 20V), assim que ultrapassar a tensão Vdd (5V + 0,7), o diodo D3 conduzirá e enviará a maior parte da corrente ao nó Vdd e o Vpin não aumentar a tensão.

Da mesma forma, D2 prenderá a tensão Vpin para não ser menos que Vss

o trabalho do suprimento ferroviário Vdd é manter a diferença de potencial entre Vdd e terra em 5V. se você tentar tornar o vdd maior que 5v enviando corrente para o nó vdd, a fonte de trilho Vdd passará essa corrente extra que você enviou ao terra, de modo que o vdd permaneça em 5v. se você realmente exigiu que o nó vin estivesse em 20v (com relação ao terra), então você tem duas fontes exigindo tensões diferentes para o mesmo nó (pense que chamam isso de "contenção de fonte"). Se a fonte de 20V em Vin for forte o suficiente para poder fornecer mais corrente do que o barramento de 5V vdd pode afundar (e isso teria que ser muita corrente, e D3 provavelmente falharia com tanta corrente), o nó Vdd ser forçado a ter 19,3V pela fonte de vin de 20V.