دیود محافظ ESD (انگلیسی : ESD Protection Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)

انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :

دیود محافظ ESD (انگلیسی : ESD Protection Diode) :

دیود محافظ ESD (ESD Protection Diode) یک نوع خاص از دیود است که برای محافظت از مدارات الکترونیکی در برابر تخلیه الکترواستاتیک (Electrostatic Discharge - ESD) طراحی شده است. ESD یکی از رایج ترین علل خرابی قطعات الکترونیکی است و می تواند هنگام تماس دست انسان با کانکتورهای دستگاه ها رخ دهد. دیودهای محافظ ESD با سرعت بسیار بالا (چند پیکوثانیه) ولتاژهای چند کیلوولتی ناشی از ESD را به زمین منحرف می کنند.

ساختار دیود محافظ ESD معمولا بر اساس دیودهای TVS (Transient Voltage Suppressors) با ظرفیت خازنی بسیار پایین (Ultra-Low Capacitance) است. این دیودها به صورت موازی با خطوط داده (Data Lines) یا خطوط تغذیه قرار می گیرند. در شرایط عادی، دیود غیرفعال است و تأثیری بر عملکرد مدار ندارد. با وقوع یک پالس ESD، دیود به سرعت وارد ناحیه شکست شده و ولتاژ را به یک سطح ایمن (ولتاژ کلمپ - Clamping Voltage) محدود می کند.

پارامترهای مهم یک دیود محافظ ESD عبارتند از:

ظرفیت خازنی (Capacitance - C_j): برای خطوط داده پرسرعت (مانند USB 3.0، HDMI)، ظرفیت خازنی باید بسیار کم باشد (معمولا کمتر از ۰.۵ پیکوفاراد) تا سیگنال ها تخریب نشوند.

ولتاژ کاری معکوس (Reverse Stand-Off Voltage - V_RWM): حداکثر ولتاژ DC که دیود در شرایط عادی تحمل می کند.

ولتاژ کلمپ (Clamping Voltage - V_C): حداکثر ولتاژی که در هنگام وقوع ESD دو سر دیود ظاهر می شود. این ولتاژ باید کمتر از حداکثر ولتاژ قابل تحمل مدار باشد.

ولتاژ شکست (Breakdown Voltage - V_BR): ولتاژی که دیود در آن شروع به هدایت می کند.

جریان پیک پالسی (Peak Pulse Current - I_PP): حداکثر جریانی که دیود می تواند در یک پالس ESD تحمل کند.

انواع دیودهای محافظ ESD:

تک کاناله (Single-Channel): برای محافظت یک خط.

چندکاناله (Multi-Channel): به صورت آرایه ای (Diode Arrays) برای محافظت چندین خط (مانند ۲، ۴، ۶، ۸ خط) در یک بسته. این نوع برای پورت هایی مانند USB و HDMI بسیار رایج است.

دوطرفه (Bidirectional): برای خطوطی که سیگنال ها در هر دو جهت (مانند خطوط داده دیفرانسیل) دارند.

یک طرفه (Unidirectional): برای خطوط تغذیه DC.

کاربرد اصلی دیودهای محافظ ESD در تمام دستگاه های الکترونیکی که با دست انسان سروکار دارند، ضروری است:

پورت های USB (2.0، 3.0، USB-C) در تلفن های همراه، لپ تاپ ها.

پورت های HDMI، DisplayPort.

خطوط آنتن در تلفن های همراه و ماژول های WiFi.

کارت های حافظه (SD Card).

رابط های صوتی (هدفون، میکروفون).

ورودی های سنسورها در تجهیزات صنعتی.

سری معروف دیودهای محافظ ESD شامل محصولات شرکت هایی مانند:

Texas Instruments: سری TPD (مانند TPD4E05U، TPD6E004).

Nexperia (بخشی از NXP): سری PESD (مانند PESD5V0S1UB، PESD12VS1UB).

ON Semiconductor: سری ESD (مانند ESD9L، ESD7008).

STMicroelectronics: سری USBLC (برای USB).

Infineon: سری ESD (مانند ESD203).

در طراحی با دیودهای محافظ ESD، باید آنها را تا حد امکان نزدیک به کانکتور ورودی (نقطه ورود ESD) قرار داد. همچنین مسیر PCB از دیود به زمین باید کوتاه و با عرض کافی باشد تا اندوکتانس مسیر حداقل شود. برای خطوط پرسرعت، انتخاب دیود با ظرفیت خازنی بسیار پایین حیاتی است. استانداردهای بین المللی مانند IEC 61000-4-2 سطح حفاظت مورد نیاز در برابر ESD را مشخص می کنند.

در نهایت، دیود محافظ ESD یک جزء ضروری برای تضمین قابلیت اطمینان و طول عمر دستگاه های الکترونیکی مدرن است. با کوچک تر شدن ابعاد ترانزیستورها در آی سی ها، حساسیت آنها به ESD افزایش یافته و استفاده از این محافظ‌ها حیاتی تر شده است.