¿Cómo protege un circuito de sujeción de diodos contra sobretensión y ESD?

Siempre veo este circuito cuando hablo de sobretensión o protección contra ESD (¿este circuito logra ambas o solo una?):

Sin embargo, no entiendo cómo funciona. Digamos que puse 20V en Vpin.

Entonces Vpin tiene un potencial más alto que Vdd, por lo que la corriente fluye a través del diodo. Pero el voltaje en el nodo Vpin sigue siendo de 20 V y el CI aún ve 20 V, ¿cómo protege esto a los circuitos internos? Además, si un evento de ESD alcanza los 10,000V a Vpin, ¿cómo protege los circuitos internos?

Finalmente, ¿está el diodo D2 allí para proteger contra un voltaje por debajo de Vss, o tiene algún otro propósito?

He intentado simular este circuito, pero por alguna razón no funciona.

El circuito protege contra sobrevoltaje y ESD sujeto a ciertas condiciones. La suposición principal es que Vd es "rígido" en comparación con la fuente de energía en Vpin. Esto suele ser cierto para Vd = fuente de alimentación de digamos 1 A + capacidad amd Vpin es una fuente de señal típica. Si Vpin es, por ejemplo, una batería de automóvil, todas las apuestas pueden estar apagadas en cuanto al tiempo que transcurre antes de que se destruya D3. .

Como se muestra, la entrada Vpin está conectada a Vdd a través del diodo D3. O bien
: la entrada se sujetará a una caída de diodo por encima de Vd porque la fuente no tiene suficiente energía para elevar el voltaje de Vd o
- Vd se elevará a cerca de Vpin, solo si Vpin es mucho más "rígido" que Vd. Normalmente no, o
- D3 se destruirá como fuente de energía y se hundirá.

Es habitual agregar una pequeña resistencia, digamos 1k a 10k entre Vpin y la unión D2 D3.

Vpin ahora debe caer ~ = Vpin-Vd a través de la resistencia.

ESD: el mismo circuito funciona de la misma manera para ESD, que es "solo" una fuente de energía de mayor voltaje y menor energía (esperas). Una vez más, una resistencia de entrada en serie ayuda. Aspectos como el tiempo de subida y la energía disponible y posiblemente incluso el tiempo de respuesta del diodo se vuelven importantes.

Olvida que estas fuentes de voltaje son "ideales". Entonces, si su entrada es de 20V directamente de un suministro, siempre será de 20V.

Lanza una resistencia en serie allí y podrás ver cómo funciona.

Usé LTspice para modelar el circuito.

R1 es la resistencia de entrada para algún pin IC.

Hice un barrido DC de -10V a 10V con incrementos de 1V.

Como puede ver, cuando empiezo a superar 5.7V, R1 solo ve ~ 5.7V.

Los ESD tienen un voltaje mucho más alto y duran solo un breve momento, pero esto debería demostrar la protección.

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

La prueba de ESD puede subir hasta + 8kV o bajar a -8kV. Cuando ocurre una descarga de + 8kV, la corriente fluirá a través de D3 e intenta neutralizarse. Cuando sucede -8kV, la corriente fluirá a través de D2.

En aplicaciones del mundo real, el suministro de VDD y VSS está muy lejos. Cuando ocurre ESD, el pico saltará del trazado VDD (o VSS) e interferirá con otros componentes.

Para minimizar esta característica no deseada, siempre agregue un límite masivo entre VDD y VSS; más cercano a D2 y D3.

"Cuando Vin> Vcc + 0.7, o cuando Vin <-0.7, uno de los diodos comenzará a conducir. El exceso de voltaje (cualquier cosa por encima de 5.7 o por debajo de -0.7 pasa a tierra o vuelve a la fuente" Creo que esta explicación de efox29 prácticamente responde a su pregunta.

Su imagen es algo engañosa. Es de esperar que el nodo Vpin donde tiene 20V escrito nunca llegue a 20V. A medida que Vpin comienza a aumentar el voltaje (en su camino hasta 20 V), tan pronto como supera el voltaje Vdd (5 V + 0.7), el diodo D3 conducirá y enviará la mayor parte de la corriente al nodo Vdd y Vpin no obtener más alto en voltaje.

Del mismo modo, D2 sujetará el voltaje Vpin para que no sea menor que Vss

El trabajo del suministro ferroviario de Vdd es mantener la diferencia de potencial entre Vdd y tierra a 5V. Si intenta hacer que vdd sea más grande que 5v enviando corriente al nodo vdd, el suministro del riel Vdd pasará esta corriente adicional que envió a tierra de modo que vdd se mantenga en 5v. si realmente exigió que el nodo vin esté a 20v (con respecto a tierra), entonces tiene dos fuentes que exigen voltajes diferentes para el mismo nodo (piense que llaman a esto "contención de fuente"). Si la fuente de 20V en Vin es lo suficientemente fuerte como para que pueda suministrar más corriente de la que puede absorber el riel vdd de 5v (y esto tendría que ser mucha corriente, y D3 probablemente fallaría con tanta corriente) entonces el nodo Vdd ser forzado a ser 19.3V por el suministro de vin de 20V.