Snapback защита от ESD

Если в вашем устройстве есть какой-то внешний разъем, с которым контактирует пользователь, то не лишним будет защитить его контакты от статического электричества (ESD).

ESD защита на первый взгляд не очень сложная вещь: достаточно по параметрам выбрать специальный диод, поставить его на защищаемую линию, затем он обрежет всё лишнее напряжение, а вы в это время будете наслаждаться жизнью. Если к устройству нет специальных требований по ESD, а защита ставится по принципу "ну пусть будет на всякий случай, а то сломаем еще что-то во время отладки", то этого вполне достаточно.

Для подавления ESD разряда обычно используются TVS диоды (Transient Voltage Suppression), которые по сути являются диодом Зенера (стабилитроном/супрессором), только они быстрее и на меньшую мощность. Но помимо TVS, есть еще один вид диодов, используемый для ESD защиты - Snapback TVS Diode.

Что такое snapback?

Для понимания принципа работы Snapback диода достаточно посмотреть на Рисунок 1, где показаны ВАХ обычного TVS и Snapback диодов. Сначала их характеристики не отличаются, но при достижения определенного уровня напряжения, они начинают вести себя по-разном.

Когда напряжение на Snapback диоде достигает Vtrig, он "срабатывает", увеличивает свою проводимость, и напряжение на нем падает до уровня VHold. Таким образом, получается, что напряжение стабилизации может быть меньше, чем у обычного супрессора, что делает систему более надежной.

Преимущества snapback

Самое очевидное преимущество - более низкий уровень удержания напряжения.

Но первый вопрос который возникает, глядя на сравнение TVS и Snapback: если тебе так важно удержать напряжение ниже, то почему бы просто не взять обычный TVS, но с меньшим Vc?

С одной стороны, так действительно можно. Выйдет дешевле и проще.

С другой стороны, на ВАХ TVS диода есть участок напряжения между Vbr и Vc, где он уже как бы начинает открываться и проводить ток, но всё-таки еще открыт не полностью. Получается, что если есть какие-то допустимые отклонения напряжения на защищаемой линии, то могут возрасти токи утечки.

Менее очевидное преимущество, но тем не менее очень важное - низкая емкость. У Snapback емкость меньше, чем у TVS где-то в 10 раз и составляет от 0.1пф дл 1пф. Вообще, это главное преимущество Snapback, за счет которого его используют для защиты высокоскоростных и радио сигналов.

Сравнение Snapback и TVS

Как было написано выше, для подавления ESD импульса в обычных применениях могут подойти оба вида диодов. Сам импульс статического разряда имеет определенную фомру и она описана в стандартах. И важно понимать, что даже после срабатывания диода, напряжение не становится идеально ровным: короткий импульс в самом начале он всё-таки пропускает.

И вот форма сигнала после подавления импульса у диодов отличается.

В качестве примеров возьмём два похожих диода:

• Рабочее напряжение Vwm = 5.5V
• Напряжение зажима Vcl = 13V
• Корпус 0201
• Двунаправленные

Snapback: ESD131-B1-W0201 TVS: ESD200-B1-CSP0201

Как можно увидеть на рисунках, Snapback диод пропускает первый импульс с большей амплитудой, но зато в очень скором времени подавляет напряжение до единиц вольт. В то время как TVS диод гораздо лучше обрезает первый импульс, но большую часть времени напряжение так и остается в 1.5 - 2 раза больше рабочего.

Глядя на левый график у меня возникает два вопроса:

• Почему напряжение подавляется так сильно, хотя Vcl = 13V?
• А что делать, если мне нельзя обрезать напряжение ниже, чем рабочее?

Дело в том, что помимо Vcl для Snapback диода важно еще и учитывать напряжение удержания Vh. На Рисунке 4 вполне наглядно показано в чем между ними различие.

Это значит, что если ток будет продолжать течь или даже усиливаться, то Vh будет постепенно повышаться, пока не дойдет до Vcl. Если мы откроем таблицу значений Vcl для нашего Snapback диода, то увидим что оно варьируется от 1.9V до 24.3V в зависимости от тока. Как вы поняли, Vcl = 13V, это относительно номинальное значение, а не максимальное. Поэтому лучше всегда проверять его в даташите.

На графиках с Рисунка 3 не происходит такого драматического роста Vcl, потому что там подается простой одиночный импульс, ток которого постепенно разряжается.

Если же не хочется опускать напряжение на линии ниже, чем рабочее, то можно поставить диод с более высоким Vh. Но повышение этого уровня, неизбежно тянет за собой и повышение Vcl. На

Рисунке 5 показан график для аналогичного Snapback диода, что и выше, но с Vcl = 20V, а Vh = 7V. Оба этих значения тоже номинальные.

Как можно заметить, амплитуда первого импульса выросла на 23V.

Критично это или не критично, надо ли оно или не надо - уже решать непосредственно разработчику, в зависимости от дизайна и требований. Тут, как обычно во всей разработке: идет вечный торг между плохим и очень плохим решением.

Источники

1. What does good ESD protection look like?
2. Understanding ESD protection device characteristics
3. Snapback and the ideal ESD protection solution
4. Snapback TVS Diode - Unictrone