встречное включение диодов для чего

Использование ESD-диодов для ограничения уровней напряжения

Analog Devices AD8221 AD8226 AD8250 AD8417 AD8418 AD8479

Paul Blanchard и Brian Pelletier, Analog Devices

Когда усилитель может подвергаться внешним перенапряжениям, последней линией обороны, отделяющей его от электростатических разрядов, остаются ESD-диоды. Правильно понимая, как работает ESD-ячейка в устройстве, конструктор с помощью соответствующей схемы может значительно повысить уровень защищенности усилителя. Эта статья написана для того, чтобы познакомить читателей с различными типами цепей, используемых для защиты от электростатических разрядов, обсудить характеристики каждого варианта, и дать некоторые рекомендации, касающиеся использования этих ячеек для повышения надежности разрабатываемого устройства.

Введение

Во многих приложениях, где вход не управляется системой, а подключается к устройствам внешнего мира, например, к контрольно-измерительному оборудованию, приборам и некоторым датчикам, имеется вероятность того, что входные сигналы превысят максимально допустимое напряжение входного усилителя. В таких приложениях должны быть предусмотрены схемы защиты, чтобы сохранить диапазон выживаемости и надежность конструкции.

Иногда для ограничения уровня напряжения используются внутренние диоды защиты от электростатических разрядов (ESD-диоды) входных усилителей, но при этом необходимо учитывать множество факторов, чтобы быть уверенными, что эти диоды обеспечат достаточную и надежную защиту. Понимание различия архитектур цепей с ESD-диодами во входных усилителях, наряду с пониманием тепловых процессов и процессов электромиграции в конкретной схеме защиты, может помочь разработчику избежать проблем со схемами защиты и повысить срок службы приложений в реальных условиях эксплуатации.

Конфигурации схем с ESD-диодами

Важно понимать, что не все ESD-диоды являются просто диодными фиксаторами, подключенными к линиям питания и земле. Существует большое количество практически полезных схем, таких как цепочки из нескольких диодов, соединенных последовательно, из диодов и резисторов или из встречно включенных диодов. Некоторые наиболее распространенные схемы подробно описаны ниже.

Диод, подключенный к шине питания

На Рисунке 1 показан пример усилителя с диодами, подключенными между входами и шинами питания. В нормальном режиме работы диоды смещены в обратном направлении, но открываются, когда входное напряжение становится выше положительного напряжения питания или ниже отрицательного напряжения питания. Когда же диод смещается в прямом направлении, ток течет через входы усилителя в соответствующие шины питания.

Если напряжение превышает +V_S, то в случае схемы на Рисунке 1 входной ток не ограничивается самим усилителем, и нуждается во внешнем ограничителе в виде последовательного резистора. Когда напряжение опускается ниже –V_S, резистор 400 Ом обеспечивает некоторое ограничение тока, которое должно быть учтено в любых разработках.

Рисунок 1.	Топология входной цепи ESD-защиты усилителя AD8221.

На Рисунке 2 показан усилитель с аналогичной конфигурацией диодов, но в данном случае ток ограничивается внутренним последовательным резистором 2.2 кОм. От варианта на Рисунке 1 схема отличается не только величиной сопротивлений ограничивающих резисторов, но и тем, что резисторы 2.2 кОм способны обеспечить защиту от напряжений выше +V_S. Это один из примеров тонкостей, в которых надо хорошо разобраться, чтобы оптимизировать защиту при использовании ESD-диодов.

Рисунок 2.	Топология входной цепи ESD-защиты усилителя AD8250.

Токоограничивающие полевые транзисторы

В отличие от схем на Рисунках 1 и 2, токоограничивающие полевые транзисторы с управляющим P-N переходом (JFET) могут использоваться в составе микросхем в качестве альтернативы диодным фиксаторам. JFET, используемый в примере, показанном на Рисунке 3, защищает устройство, когда входное напряжение превышает допустимый диапазон. Благодаря входным JFET, обеспечивается защита от напряжений до 40 В. Поскольку JFET будут ограничивать ток, идущий во входные выводы, в качестве дополнительной защиты от повышенного напряжения ESD-ячейки использоваться не могут.

Рисунок 3.	Схема защиты входов усилителя AD8226.

Для защиты от напряжений до 40 В схема с JFET является хорошо управляемым, надежным и полностью документированным вариантом. В отличие от этого, при использовании защитных ESD-диодов информация о диодном ограничении тока часто приводится как типовая или, возможно, вовсе отсутствует.

Диодные цепочки

В приложениях, где входное напряжение может превышать напряжение источника питания или быть ниже потенциала земли, для защиты от электростатических разрядов использоваться диодные цепочки. На Рисунке 4 показан усилитель со схемой защиты, состоящей из цепочки последовательно соединенных диодов. В такой конфигурации диодная цепочка служит для защиты от отрицательных бросков напряжения. Эта цепочка диодов, прежде всего, предназначена для ограничения тока утечки в рабочем входном диапазоне, однако дополнительно она обеспечивает защиту от превышения отрицательного уровня синфазного напряжения. Имейте в виду, что ограничивающее действие диодной цепи определяется только последовательным сопротивлением диодов. Для уменьшения входного тока при заданном уровне напряжения может быть использовано внешнее последовательное сопротивление.

Рисунок 4.	Схема защиты входов усилителя AD8417.

Встречно включенные диоды

Встречное включение диодов также используется тогда, когда диапазон допустимых входных напряжений может превышать напряжение источника питания. На Рисунке 5 показан усилитель, в котором защиту устройства от ESD обеспечивают включенные встречно диоды, что позволяет ему выдерживать напряжение до 70 В при питании от источника 3.3 В. D4 и D5 – высоковольтные диоды, защищающие от высоких напряжений, которые могут присутствовать на входных линиях, а D1 и D2 используются для предотвращения появления токов утечки, когда входные напряжения еще находятся в пределах нормального рабочего диапазона. В подобной конфигурации использование этих ESD-ячеек для защиты от перенапряжений не рекомендуется, поскольку превышение максимального обратного смещения высоковольтного диода может легко привести к ситуации, которая станет причиной необратимого повреждения схемы.

Рисунок 5.	Схема защиты входов усилителя AD8418.

Устройства без ограничителей напряжения ESD

В некоторых устройствах элементов ESD на входах нет. Хотя очевидно, что при отсутствии встроенных ESD-диодов описанные выше подходы неприменимы, все же, как вариант защиты от перенапряжений, эта архитектура иногда рассматривается. На Рисунке 6 показано устройство, в котором для защиты усилителя используются только резисторы с большим сопротивлением.

Рисунок 6.	Схема защиты входов усилителя AD8479.

ESD-ячейки в качестве ограничителей уровня напряжения

Необходимо понимать не только то, как реализуются ESD-ячейки, но и как использовать эти структуры для защиты. В типичном приложении напряжения, выходящие за пределы допустимого диапазона, ограничивают последовательным резистором.

Рисунок 7.	Использование ESD-ячеек для ограничения уровней напряжения.

Когда усилители сконфигурированы так, как показано на Рисунке 7, или когда их входы защищены диодом, подключенным к питанию, входной ток ограничивается согласно следующей формуле:

(1)

I_D – ток диода,
V_STR – напряжение помехи,
V_SUP – напряжение источника питания,
R_PROT – сопротивление последовательного резистора защиты.

Формула 1 написана в предположении, что V_STR > V_SUP. Если это не так, следует более точно измерить напряжение на диоде и использовать результат в вычислениях вместо приближенного значения 0.7 В.

Рассмотрим пример расчета элемента защиты усилителя с источником питания ±15 В от бросков входного напряжения до ±120 В при заданном уровне ограничения входного тока 1 мА. Подставив эти параметры в Формулу 1, мы можем найти следующее:

(2)

(3)

С учетом этих требований сопротивление R_PROT, превышающее 105 кОм, будет ограничивать ток диода на уровне ниже 1 мА.

Понимание технологии ограничения тока

Максимальные значения I_D отличаются для разных компонентов, а также зависят от конкретных ситуаций, в которых возникают перегрузки. Максимально допустимый ток для продолжающегося миллисекунды единичного события будет совершенно не таким, как для случая, когда ток прикладывается постоянно в течение 20 и более лет эксплуатации устройства. Сведения по конкретным значениям токов можно найти в документации на усилители в разделе «Абсолютные предельные значения» или в указаниях по применению. Как правило, они находятся в диапазоне от 1 мА до 10 мА.

Виды отказов

Максимальный ток для конкретной схемы защиты, в конечном счете, будет ограничен двумя факторами: влиянием нагрева из-за рассеиваемой в диоде мощности и допустимым значением тока на пути его прохождения. Рассеиваемая мощность не должна превышать порога, ниже которого рабочая температура еще остается в пределах допустимого диапазона, а ток должен выбраться не выше разрешенного максимума, чтобы не допустить снижения надежности из-за электромиграции.

Последствия нагрева

При протекании тока через ESD-диоды их температура будет повышаться из-за рассеиваемой на них мощности. В большинстве справочных материалов на усилители указывается тепловое сопротивление (обычно обозначаемое Ө_JA), которое показывает, как будет увеличиваться температура перехода в зависимости от рассеиваемой мощности. Учет наихудшей температуры приложения и наибольшего повышения температуры кристалла, обусловленного рассеиванием мощности, даст оценку жизнеспособности схемы защиты.

Электромиграция

Даже тогда, когда ток диода не вызывает тепловых проблем, он все равно может быть причиной снижения надежности. Для любого пути электрического сигнала определена допустимая величина тока, превышение которой запускает механизмы электромиграции, сокращающей срок службы прибора. Электромиграционный порог для пути прохождения диодного тока, как правило, определяется шириной внутренних дорожек, с которыми соединяются диоды. Эта информация не всегда публикуется для усилителей, но ее необходимо учитывать, если диоды активны в течение длительного времени, а не только в моменты переходных процессов.

Примером проблем, создаваемых электромиграцией, может служить схема, в которой усилитель контролирует параметры внешнего источника, и, соответственно, соединен с шиной питания, независящей от питания усилителя. При этом возможны ситуации, когда некорректная последовательность включения источников питания приводит к появлению напряжений, временно превышающих максимально допустимые значения. Учитывая наихудший путь прохождения тока, время, в течение которого этот ток может быть активен, и понимая физическую природу ограничения максимально допустимого тока, можно избежать проблем с надежностью, обусловленных электромиграцией.

Заключение

Понимание того, как функционируют внутренние ESD-диоды во время электрических перенапряжений, может позволить сделать простые улучшения, чтобы повысить надежность конструкции. Исследование тепловых и электромиграционных процессов в схеме защиты может выявить потенциальные проблемы и показать, где может быть оправдано наличие дополнительной защиты. Учет описанных здесь условий позволит разработчикам сделать правильный выбор и избежать потенциальных проблем, связанных с надежностью в процессе реальной эксплуатации.

Материалы по теме

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

Источник

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

У полупроводникового диода множество «профессий». Он может выпрямлять напряжение, развязывать электрические цепи, предохранять оборудование от неправильной подачи питания. Но есть не совсем обычный вид «работы» диода, когда его свойство односторонней проводимости используется очень косвенно. Полупроводниковый прибор, для которого нормальным режимом является обратное смещение, называется стабилитроном.

Что такое стабилитрон, где используется и какие бывают

Стабилитрон, или диод Зенера (по имени американского ученого, первым изучившим и описавшим свойства этого полупроводникового прибора), представляет собой обычный диод с p-n переходом. Его особенность – работа на участке характеристики с отрицательным смещением, то есть, когда напряжение прикладывается в обратной полярности. Используется такой диод в качестве самостоятельного стабилизатора, поддерживающего напряжение потребителя постоянным вне зависимости от изменения тока нагрузки и колебаний входного напряжения. Также узлы на стабилитронах применяются в качестве источников опорного напряжения для других стабилизаторов с развитой схемой. Реже диод с обратным включением используется в качестве элемента формирования импульсов или защитного ограничителя от перенапряжений.

Существуют обычные стабилитроны и двуханодные. Двуханодный стабилитрон — это два диода, включенные встречно в одном корпусе. Его можно заменить двумя отдельными приборами, включив их по соответствующей схеме.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его принцип работы

Чтобы разобраться с принципом работы стабилитрона, надо изучить его типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Если к зенеру приложить напряжение в прямом направлении, как к обычному диоду, то он и вести себя будет подобно обычному диоду. При напряжении около 0,6 В (для кремниевого прибора) он откроется и выйдет на линейный участок ВАХ. По теме статьи более интересно поведение стабилитрона при приложении напряжения обратной полярности (отрицательная ветвь характеристики). Сначала сопротивление его резко возрастет, и прибор перестанет пропускать ток. Но при достижении определенного значения напряжения произойдет резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит лавинный характер, и исчезает после снятия питания. Если продолжать увеличивать обратное напряжение, то p-n переход начнет нагреваться и выйдет в режим теплового пробоя. Тепловой пробой необратим и означает выход стабилитрона из строя, поэтому вводить диод в такой режим не следует.

Интересен участок работы полупроводникового прибора в режиме лавинного пробоя. Его форма близка к линейной, и он имеет высокую крутизну. Это означает, что при большом изменении тока (ΔI) изменение падения напряжения на стабилитроне относительно невелико (ΔU). А это и есть стабилизация.

Такое поведение при подаче обратного напряжения характерно для любого диода. Но особенность стабилитрона в том, что его параметры на этом участке ВАХ нормированы. Его напряжение стабилизации и крутизна характеристики заданы (с определенным разбросом) и являются важными параметрами, определяющими пригодность использования прибора в схеме. Найти их можно в справочниках. Обычные диоды также можно использовать в качестве стабилитронов – если снять их ВАХ и среди них найдется с подходящей характеристикой. Но это долгий, трудоёмкий процесс с негарантированным результатом.

Основные характеристики стабилитрона

Чтобы подобрать диод Зенера под существующие цели, надо знать несколько важных параметров. Эти характеристики определят пригодность выбранного прибора для решения поставленных задач.

Номинальное напряжение стабилизации

Первый параметр зенера, на который надо обратить внимание при выборе – напряжение стабилизации, определяемое точкой начала лавинного пробоя. С него начинают выбор прибора для использования в схеме. У разных экземпляров ординарных стабилитронов, даже одного типа, напряжение имеет разброс в районе нескольких процентов, у прецизионных разница ниже. Если номинальное напряжение неизвестно, его можно определить, собрав простую схему. Следует подготовить:

Надо поднимать напряжение источника питания с нуля, контролируя по вольтметру рост напряжения на стабилитроне. В какой-то момент он остановится, несмотря на дальнейшее увеличение входного напряжения. Это и есть фактическое напряжение стабилизации. Если регулируемого источника нет, можно использовать блок питания с постоянным выходным напряжением заведомо выше Uстабилизации. Схема и принцип измерения остаются теми же. Но есть риск выхода полупроводникового прибора из строя из-за превышения рабочего тока.

Стабилитроны применяются для работы с напряжениями от 2…3 В до 200 В. Для формирования стабильного напряжения ниже данного диапазона, используются другие приборы – стабисторы, работающие на прямом участке ВАХ.

Диапазон рабочих токов

Ток, при котором стабилитроны исполняют свою функцию, ограничен сверху и снизу. Снизу он ограничен началом линейного участка обратной ветви ВАХ. При меньших токах характеристика не обеспечивает режима неизменности напряжения.

Верхнее значение лимитировано максимальной мощностью рассеяния, на которую способен полупроводниковый прибор и зависит от его конструкции. Стабилитроны в металлическом корпусе рассчитаны на больший ток, но не надо забывать об использовании радиаторов. Без них наибольшая допустимая мощность рассеяния будет существенно меньше.

Дифференциальное сопротивление

Еще один параметр, определяющий работу стабилитрона – дифференциальное сопротивление Rст. Оно определяется как отношение изменения напряжения ΔU к вызвавшему его изменение тока ΔI. Эта величина имеет размерность сопротивления и измеряется в омах. Графически — это тангенс угла наклона рабочего участка характеристики. Очевидно, что чем меньше сопротивление, тем лучше качество стабилизации. У идеального (не существующего на практике) стабилитрона Rст равно нулю – любое приращение тока не вызовет никакого изменения напряжения, и участок ВАХ будет параллелен оси ординат.

Маркировка стабилитронов

Отечественные и импортные стабилитроны в металлическом корпусе маркируются просто и наглядно. На них наносится наименование прибора и расположение анода и катода в виде схематического обозначения.

Приборы в пластиковом корпусе маркируются кольцами и точками различных цветов со стороны катода и анода. По цвету и сочетанию знаков можно определить тип прибора, но для этого придётся заглянуть в справочники или использовать программы-калькуляторы. И то, и другое можно найти в интернете.

Иногда на маломощных стабилитронах наносят напряжение стабилизации.

Схемы включения стабилитрона

Основная схема включения стабилитрона – последовательно с резистором, который задает ток через полупроводниковый прибор и берет на себя излишек напряжения. Два элемента составляют обычный делитель. При изменении входного напряжения падение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе изменяется.

Такая схема может использоваться самостоятельно и называется параметрическим стабилизатором. Он поддерживает напряжение на нагрузке постоянным, несмотря на колебания входного напряжения или потребляемого тока (в определенных пределах). Подобный блок ещё используют в качестве вспомогательной схемы там, где нужен источник образцового напряжения.

Подобное включение также применяется в качестве защиты чувствительного оборудования (датчиков и т.п.) от нештатного появления высокого напряжения в линии питания или измерения (постоянного или случайных импульсов). Все, что выше напряжения стабилизации полупроводникового прибора, «срезается». Такая схема называется «барьером Зенера».

Раньше свойство стабилитрона «срезать» верхушки напряжения широко использовалось в схемах формирователей импульсов. В цепях переменного тока применялись двуханодные приборы.

Но с развитием транзисторной техники и появлением интегральных микросхем такой принцип стал использоваться редко.

Если под рукой отсутствует стабилитрон на нужное напряжение, его можно составить из двух. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме двух напряжений.

Важно! Нельзя включать стабилитроны параллельно для увеличения рабочего тока! Разброс вольтамперных характеристик приведет к выводу в зону теплового пробоя один стабилитрон, далее выйдет из строя второй из-за превышения тока нагрузки.

Хотя в технической документации времен СССР разрешается параллельное включение зенеров в параллель, но с оговоркой, что приборы должны быть однотипные и суммарная фактическая мощность рассеяния в процессе эксплуатации не должна превышать допустимую для единичного стабилитрона. То есть, увеличения рабочего тока при таком условии не добиться.

В этом случае выходное напряжение стабилизатора будет меньше Uстабилизации на величину падения напряжения на эмиттерном переходе – для кремниевого транзистора около 0,6 В. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, можно включить последовательно со стабилитроном диод в прямом направлении.

Таким способом (включением одного или нескольких диодов) можно подкорректировать выходное напряжение стабилизатора в большую сторону в небольших пределах. Если надо радикально повысить Uвых, лучше включить последовательно ещё одни стабилитрон.

Сфера применения стабилитрона в электронных схемах обширна. При осознанном подходе к выбору этот полупроводниковый прибор поможет решить множество задач, поставленных перед разработчиком.

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Источник