ダイオードクランプ回路はどのように過電圧とESDから保護しますか？

過電圧またはESD保護について話すとき、私は常にこの回路を見ます（この回路は両方を達成しますか、それとも1つだけを達成しますか？）：

しかし、私はそれがどのように機能するか理解していません。Vpinに20Vを入力するとします。

したがって、VpinはVddよりも高い電位にあるため、ダイオードに電流が流れます。しかし、ノードVpinの電圧はまだ20Vであり、ICはまだ20Vを認識しています。これにより、内部回路はどのように保護されますか？さらに、ESDイベントがVpinに対して10,000Vに達した場合、内部回路はどのように保護されますか？

最後に、ダイオードD2はVss未満の電圧から保護するためにありますか、それとも他の目的がありますか？

この回路のシミュレーションを試みましたが、何らかの理由で機能しません。

この回路は、特定の条件下で過電圧およびESDから保護します。主な想定は、VdがVpinのエネルギー源と比較して「堅い」ということです。これは通常、Vd = 1 Aの電源+機能とVpinに当てはまります。Vpinは典型的な信号源です。Vpinが例えば自動車のバッテリーである場合、D3が破壊されるまでの時間に関するすべての賭けがオフになる場合があります。。

示されているように、入力VpinはダイオードD3を介してVddに接続されています。どちらか -Vd
の電圧を上げるのに十分なエネルギーがないため、入力はVdを1ダイオード降下するようにクランプされます。または、
VdはVpinの近くまで上昇します。通常ではありません、または
-D3はエネルギー源およびシンクとして破壊されます。

通常、VpinとD2 D3ジャンクションの間に1k〜10kの小さな抵抗を追加します。

Vpinは、抵抗全体で〜= Vpin-Vdをドロップする必要があります。

ESD：同じ回路が同じように動作しますが、ESDは「ちょうど」高電圧で低エネルギー（希望）のエネルギー源です。繰り返しますが、直列入力抵抗が役立ちます。立ち上がり時間や利用可能なエネルギー、場合によってはダイオードの応答時間などの側面が重要になります。

これらの電圧源が「理想的」であることを忘れています。したがって、入力が電源から直接20Vの場合、常に20Vになります。

そこに直列抵抗を投げると、それがどのように機能するかを見ることができます。

LTspiceを使用して回路をモデル化しました。

R1は、あるICピンの入力抵抗です。

-10Vから10Vまで1V刻みでDCスイープを行いました。

ご覧のとおり、5.7Vを超えると、R1には5.7Vしか表示されません。

ESDははるかに高い電圧であり、短時間しか持続しませんが、これは保護を実証するはずです。

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

ESDテストは、+ 8kVまで、または-8kVまで可能です。+ 8kVの放電が発生すると、電流はD3を流れ、それ自体を中和しようとします。-8kVが発生すると、電流はD2を流れます。

実際のアプリケーションでは、VDDとVSSの電源は非常に離れています。ESDが発生すると、スパイクはVDD（またはVSS）トレースから飛び出し、他のコンポーネントに干渉します。

この不要な特性を最小限に抑えるには、VDDとVSSの間に常にバルクキャップを追加してください。D2とD3に最も近い。

「Vin> Vcc + 0.7の場合、またはVin <-0.7の場合、ダイオードの1つが導通し始めます。過剰電圧（5.7より上または-0.7の下のすべては、グランドに供給されるか、電源に戻されます） efox29から質問にほぼ答えています。

あなたの写真はやや誤解を招く恐れがあります。20Vが書き込まれているVpinノードが20Vに到達することはありません。Vpinの電圧が上昇し始め（20Vまで）、Vdd電圧（5V + 0.7）を超えるとすぐに、D3ダイオードが導通し、ほとんどの電流をVddノードに送りますが、Vpinはより高い電圧を得る。

同様に、D2はVpin電圧をVss未満にならないようにクランプします

Vddレール電源の役割は、Vddとグランド間の電位差を5Vに保つことです。vddノードに電流を送信してvddを5vより大きくしようとすると、Vddレール電源は、vddが5vに留まるようにグランドに送信したこの余分な電流を流します。vinノードが20v（グランドに対して）であることを本当に要求した場合、同じノードに対して異なる電圧を要求する2つのソースがあります（これらを「ソース競合」と呼びます）。Vinの20Vソースが十分に強く、5v vddレールがシンクできるよりも多くの電流を供給できる場合（そして、これは多くの電流である必要があり、D3はおそらく非常に大きな電流で失敗します）、Vddノードは20VのVIN電源により19.3Vに強制されます。