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Moderne ICs brauchen zusätzlichen Schutz vor ESD
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Zu schützende Funktionen
Zu schützende Funktionen
Grundsätzlich liefern Schutzschaltungen aus Silizium aufgrund ihres inhärenten niedrigeren dynamischen Widerstands im Vergleich zu Komponenten aus Polymeren, Keramik usw. den besten ESD-Schutz. Der dynamische Widerstand von Siliziumkomponenten liegt je nach Anbieter zwischen 0,2 Ω und 3,0 Ω, während der Widerstand von Keramiklösungen gleicher Größe im Durchschnitt zwischen 2 Ω und 5 Ω liegt.
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Bild 1 verdeutlicht den Unterschied der Durchlassenergie einer Siliziumkomponente im Vergleich zu einem Varistor, wenn eine 8-kV-ESD-Transiente eindringt. In dem Bild sind die Differenzen beim Einschalten und bei der finalen Klemmspannung dargestellt. Die Differenz zwischen den Kurven (durch die Pfeile dargestellt) ist die Energie, die der integrierte Schaltkreis, beziehungsweise der Chipsatz aushalten muss, um mögliche Schäden oder vorzeitige Defekte zu verhindern.
Elektrogeräte wie LCD-Fernseher, Smartphones, Tablets, Spielekonsolen, Digitalkameras, Audioplayer etc. entwickeln sich kontinuierlich weiter und bieten Anwendern scheinbar grenzenlose Möglichkeiten. Trotzdem sind die verwendeten Ports und Verbindungselemente vergleichsweise einfach und benötigen einen Schutz vor ESD. Fast alle elektronischen Unterhaltungsgeräte verfügen über einige der folgenden Funktionen: AC-Ein-/Ausgang, DC-Ein-/Ausgang, Batterie, Tastaturen/Tasten, Videosignale (HDMI, S-Video, Composite-Video, LCD-Modul), Audio-Output, Datenschnittstellen (USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0, IEEE 1394, RS-232C, RS-485, 100-BaseT, 1000-BaseT), CATV/RF-Input/Output.
Manche dieser Funktionen müssen bestimmten Sicherheitsstandards entsprechen und benötigen einen Überstrom- und Überspannungsschutz. Andere sind zudem vor Blitzüberspannungen oder schnellen elektrischen Transienten zu schützen, die von regelmäßig in der Nähe genutzten Elektrogeräten mit hohen induktiven Lasten wie Staubsaugern ausgehen. Produkte, die direkt mit dem Wechselspannungsnetz verbunden sind (120 V bis 250 V), könnten schweren Überspannungstransienten (Blitze, Lastabwurf usw.) sowie Kurzschluss- beziehungsweise Überspannungszuständen ausgesetzt sein. Aufgrund der starken Belastung erfordert dies eine Kombination aus Überstrom- (Sicherungen oder PTCs) und Überspannungsvorrichtungen (MOV, TVS oder TVS-Dioden-Arrays). Die folgenden Normen können einen derartigen Schutz explizit verlangen:
- IEC 61000-4-4 (EFT-Umgebung auf Nutzerebene),
- IEC 61000-4-5 (Stoßspannungen aufgrund von Blitzeinschlägen) und
- IEC/EN 60950-1 (Sicherheitsstandard).
Tragbare elektronische Geräte, die einen AC- oder DC-Adapter enthalten, können durch ESD und leichte Blitzeinschläge bedroht werden. Normen, die einen derartigen Schutz explizit verlangen können, sind unter anderem:
- IEC 61000-4-2 (ESD-Umgebung auf Nutzerebene) und
- IEC 61000-4-5 (Überspannung durch Blitz).
Tastaturen oder andere manuelle Schnittstellentasten können ein Eingangspunkt für die zerstörerische Energie von elektrostatischen Entladungen sein. Audioverkabelungen können aufgrund der Lautsprecherkabel und der manuellen Bedienung ESD ausgesetzt sein, ebenso wie Verbindungsstecker für S-Video, Composite-Video und HDMI. Auch Batterieanwendungen sind ESD sowie möglichen »Überstrom-Instabilitäten« ausgesetzt und müssen geschützt werden (es gelten insbesondere die IEC 61960 und IEC 62133). Datenleitungen sind ebenfalls für ESD und je nach Standort für Überspannungen durch Blitze anfällig. Nationale Normen, die in der Regel für derartige Anwendungen gelten, sind unter anderem:
- IEC 61000-4-2 (ESD-Umgebung auf Nutzerebene) und
- IEC 61000-4-5 (Überspannung durch Blitz).
Um die Lebenserwartung der Endgeräte garantieren zu können, werden TVS-Dioden-Arrays zum Schutz empfohlen, die nicht nur den strengen Platzvorgaben gerecht werden, sondern auch recht geringe Klemmspannungen bieten. Dadurch können sie auch moderne integrierte Schaltkreise schützen. Schnelle Netztransienten, Blitze in der näheren Umgebung und Stromausfälle machen aber zusätzliche Überstrom- und Überspannungsschutzmaßnahmen erforderlich.
Über die Autoren:
Philip Havens ist Chefingenieur und Chad Marak ist of Technical Marketing und Leiter der TVS-Dioden-Array-Produkte im Halbleitergeschäft, beide bei Littelfuse.
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