Vielschichtvaristoren oder TVS-Dioden? Keine Chance für Überspannungen

Überspannungen und elektrostatische Entladungen (ESD) können elektronische Schaltungen stören oder gar zerstören. Grundsätzlich lassen sich Schutzbausteine auf Halbleiterbasis (z.B. TVS-Dioden) oder Vielschichtvaristoren einsetzen. Ein Vergleich der beiden Technologien.

Elektronische Schaltungen in mobilen Anwendungen, Unterhaltungselektronik und Industrieanlagen sowie der Automobil-Elektronik reagieren sensibel auf Überspannungen und elektrostatische Entladungen (ESD). Je nach Stärke führen die Spannungstransienten zu latenten Störungen oder zu einem Komplettausfall. Um die Schaltungen davor zu schützen, werden oft Schutzbauelemente auf Halbleiterbasis eingesetzt - überwiegend TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor Diode).

Neueste Schaltungstrends wie zum Beispiel bei Smartphones mit immer schnelleren Datenübertragungsraten auf engstem Raum erfordern neuartige Chipsätze, die jedoch äußerst sensibel auf ESD-Überspannungen reagieren. Durch Innovationen bei Material, Prozess und Design kann Epcos nun Vielschichtvaristoren (MLVs, Multilayer Varistors) mit geringer Baugröße, niedrigen Klemmspannungen und geringen Kapazitäten im Bereich der Smartphone-Anwendungen als Alternativen anbieten.

Was im Folgenden für Smartphones dargestellt wird, lässt sich auf viele weitere mobile Anwendungen übertragen. Vergleiche der beiden Schutztechnologien von TVS-Dioden und MLVs beschränken sich bisweilen nur auf Klemmspannungen und Leckströme. Darüber hinaus spielt jedoch die Baugröße eine weitere wesentliche Rolle bei der Auswahl der Bauelemente und der ansteigenden Integrationsdichte in mobilen Anwendungen. Dabei weisen die bis zu 300 µm dünnen MLVs ein weitaus höheres Energie-Absorptionsvermögen pro Volumen auf als vergleichbare TVS-Dioden (Bild 1).

Bei MLVs erfolgt die Absorption der Energie in rund 80 Prozent des Bauelementevolumens, bei TVS-Dioden dagegen nur in 30 Prozent. Dies führt bei gleicher Leistung zu einem wesentlich niedrigeren Platzbedarf. Damit sind Vielschichtvaristoren für Entwickler eine platzsparende und kostengünstige Option.

Derating erst ab +85 °C

Auch beim Temperatur-Derating weisen MLVs laut Epcos deutliche Vorteile auf. Die Derating-Temperatur der Bauelemente liegt bei +85 °C. Spezielle Typen erzielen sogar Derating-Temperaturen von +150 °C. Gerade für die Entwicklung von Smartphones ist dies ein entscheidender Faktor, denn durch die Verlustleistung des Leistungsverstärkers können im Inneren des Gerätes Temperaturen von bis zu +85 °C entstehen.

Bei TVS-Dioden tritt bereits ab +25 °C das Derating ein, bei +85 °C bieten sie sogar nur noch 50 Prozent ihrer ursprünglichen Absorptionsleistung (Bild 2). MLVs sind demnach die eindeutig bessere Lösung, wenn es gilt, hohe Betriebstemperaturen zu beherrschen. Dieses Verhalten wurde durch Messungen und Simulationen auch von Smartphone-Herstellern bestätigt.

Schaltungsdesign ist wichtig

Hochintegrierte MLV-Bauelemente bieten eine deutlich bessere Einfügedämpfung als TVS-Dioden in derselben Kapazitätsklasse, da ihre parasitären Induktivitäten wesentlich geringer sind. Dies liegt daran, dass TVS-Lösungen ein zusätzliches Gehäuse mit Anschlüssen und kostspieligen internen Bonddrähten benötigen.

Die geringeren induktiven Beiwerte der MLVs von zum Beispiel nur 0,1 nH in der neuen Bauformreihe 0201 wirken sich auch positiv auf die Höhe der Klemmspannung aus: Besondere Leistung zeigen die MLV-Lösungen gerade bei steigender ESD-Impulsspannung mit bis zu 10 bis 30 Prozent geringerer Klemmspannung als TVS-Dioden (Bild 3).

Auch bei den Ansprechzeiten zeigen MLVs deutlich bessere Parameter. So erreichen sie ultraschnelle Ansprechzeiten im Nanosekundenbereich und sind gegenüber den TVS-Dioden um 30 Prozent schneller. Vor allem bei hohen ESD-Impulsspannungen bieten Lösungen auf Basis von MLVs damit deutlich geringere Klemmspannungen als TVS-Dioden.

Bei einer elektrostatischen Entladung, die einen hochdynamischen Prozess im Nanosekundenbereich darstellt, darf nicht ausschließlich das Verhalten des Schutzbauelements betrachtet werden. Vielmehr muss auch die Interaktion mit der Peripherie und dem gesamten System ins Blickfeld rücken.

Neben dem Platinenlayout gilt es auch, andere diskrete Bauelemente und Steckverbinder zu berücksichtigen. Die Bilder 4 bis 6 zeigen die Messergebnisse von MLVs von Epcos im Vergleich mit einem Mitbewerberprodukt, wie sie in einer Schaltung eines Smartphones eingesetzt werden. Es wird deutlich, dass auch bei gleichen Bauformen und elektrischen Werten signifikante Unterschiede hinsichtlich der Performance in der konkreten Schaltung vorliegen.

So konnte in unterschiedlichsten Smartphone-Generationen verschiedener Hersteller an sensiblen Eingangsschnittstellen, wie zum Beispiel am Kopfhörer und Ein/Ausschalter, der Nachweis eines verbesserten ESD-Schutzes eindrucksvoll erbracht werden.

 

Parameter
Wert
Baugrößen
0,6 mm x 0,3 mm
Varistorspannung (DC)13 V bis 22 V
Kapazität7 pF bis 15 pF
Leckstrom<0,1 µA
Klemmspannung (1 A)33 V bis 66 V
Spitzenspannung (8 kV Kontakt)
60 V bis 80 V
Tabelle 1: Kenndaten der Vielschichtvaristoren der neuen Baureihe 0201 von Epcos