Transienten ableiten Multilayer-Varistoren als Schutzelemente

Spannungsspitzen mögen CMOS-Bauteile überhaupt nicht. Daher müssen Entwickler diese Schaltungsteile schützen. Multilayer-Varistoren sind für solche Anwendungen heutzutage meist das Mittel der Wahl. In diesem Bereich hat sich in den letzten Jahren einiges verbessert.

CMOS-Schaltungen reagieren sehr empfindlich gegenüber Überspannungsspitzen (Transienten). Zudem können solche Transienten ganz unterschiedlich aussehen: Das Spektrum zieht sich von ESD-Pulsen (electrostatic discharge, elektrostatische Entladung) im Sub-Nanosekundenbereich bis zu langsamen Transienten mit hohem Energieinhalt. Letztere können beispielsweise entstehen, wenn eine induktive Last von der Lichtmaschine eines Autos getrennt wird (Load Dump), sie kommen aber auch im Stromnetz häufig vor.

Multilayer-Varistoren (MLVs) sind eine effiziente Lösung, solche Überspannungsspitzen zu unterdrücken; sie bieten sowohl elektrische als auch mechanische Vorteile gegenüber alternativen Lösungen (z.B. Zenerdioden).

Die Ansprechspannungen von MLVs variieren, je nach Typ, über einen weiten Bereich – von 3,3 V bis 385 V. Die Energieabsorptionsfähigkeit ist von der Größe des MLVs abhängig; typische Werte liegen im Bereich von 50 mJ (reiner ESD-Schutz) bis 50 J (Schutz vor induktiven Spannungsspitzen). Die früher üblichen, radial bedrahteten MOVs (Metalloxid-Varistoren) waren sperrige Bauteile mit großer Varianz der Ansprechspannung und breiter Spitzenstromverteilung, die zudem schnell verschlissen. Trotz dieser Nachteile setzte man MOVs häufig als Überspannungsschutzbauteile (TVS, Transient Voltage Suppressors) ein, weil es keine kostengünstigen Alternativen gab und weil sie ähnliche Eigenschaften wie Gasentladungsröhren (GDTs, Gas Discharge Tubes) aufwiesen.

Durch Fortschritte in der Verfahrenstechnik und bei der Optimierung von Materialien konnten die Hersteller den Verschleiß radial bedrahteter MOVs erheblich reduzieren und die Toleranzen der wichtigsten Kennwerte einengen. Sie entwickelten radial bedrahtete MOVs mit höherer Energieabsorptionsfähigkeit und später auch oberflächenmontierbare MOVs. Neue Spezifikationen wie zum Beispiel »Kapazität im nichtleitenden Zustand« wurden eingeführt, sodass Entwickler solche Nebeneffekte von MOVs gezielt für EMV-Filterzwecke nutzen können.

Vorteile von MLVs

Später wurden Single-Layer-SMT-MOVs zu Miniatur-Multilayer-Strukturen weiterentwickelt, die erhebliche Performancevorteile gegenüber Dioden aufweisen. Bei einem MLV stellt im Prinzip jedes Korn dotierten Zinkoxids eine Schottky-Diode dar. Die Struktur zwischen den Platten stellt serielle und parallele Diodenverbindungen her, und das gesamte Volumen absorbiert Energie (Bild 1).

Gegenüber herkömmlichen Schutzbauteilen, beispielsweise Dioden, bieten MLVs mechanische und elektrische Vorteile. Darunter fallen kleinere Abmessungen, kürzere Ansprechzeit und Mehrfach- Absorptionsfähigkeit. MLVs beanspruchen etwa 90% weniger Platz als andere Schutzlösungen, da ein einziger MLV eine Back-to-Back-Diodenschaltung plus einen EMV-Kondensator ersetzen kann.

Im nichtleitenden Zustand fungiert das Netzwerk als EMV-Filter. Im leitenden Zustand verhält sich der MLV wie zwei antiseriell (back-to-back) geschaltete Zenerdioden. MLVs haben eine wesentlich kleinere Gehäuseinduktivität als Dioden und sprechen dadurch sehr viel schneller an. Die typische Anstiegszeit eines MLVs liegt zwischen 300 ps und 700 ps (der genaue Wert ist von der Gehäusegröße abhängig).

Umgekehrt ist die Anstiegszeit von Dioden wesentlich länger als die Anstiegszeit kurzer Transienten. Während ein typischer ESD-Impuls eine Anstiegszeit von weniger als 1 ns hat, spricht eine Diode erst nach 1,2 ns bis 1,5 ns an (auch dieser Wert ist von der Gehäusegröße abhängig). Daher bieten MLVs einen erheblich besseren Schutz für Transistoren und ICs.

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Ersatzschaltung, Durchlasscharakteristika und Anstiegszeit von MLVs

Ersatzschaltung, Durchlasscharakteristika und Anstiegszeit von MLVs

Darüber hinaus sind MLVs mehrfach-absorptionsfähig – sie widerstehen Zehntausenden von elektrostatischen Entladungen, ohne abzubauen. Was noch wichtiger ist: Dies gilt auch für eine große Anzahl von 8x20-μs-Bursts. MLV-Herstellern ist es gelungen, diese Bauteile bis auf das 0201-Format zu schrumpfen; AVX beispielsweise produziert außerdem Vierfach-MLV-Arrays und Vierfach-Varistor-Filterarrays (in LC-T-Schaltung) in der Gehäusegröße 0805.

Es wurden anwendungsspezifische MLVs für CAN-Bus, LIN, FlexRay, USB und zahlreiche andere Anwendungen entwickelt. MLVs können Kapazitätswerte bis zu 10 nF und bis hinab zu unter 1 pF aufweisen. Neuerdings sind MLVs mit Kapazitätstoleranzen von nur ±10% verfügbar.