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Welcher Schutz ist der richtige?

Teure Halbleiter vor Überspannungen/Überströmen schützen

18. Mai 2021, 14:10 Uhr   |  Von Diarmuid Carey

Teure Halbleiter vor Überspannungen/Überströmen schützen
© Analog Devices

Elektronische Bauteile wie FPGAs, ASICs und Mikroprozessoren sind teuer, dürfen nicht beschädigt werden oder gar ausfallen und benötigen dementsprechend einen Schutz vor Transienten. Die Frage ist nur, wie? Mit TVS-Dioden, Sicherungen oder Überspannungsstoppern?

Schutzmethoden wie Dioden, Sicherungen und TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor) werden oft bevorzugt, sind aber in vielen Fällen ineffizient, sperrig und müssen gewartet werden. Im Gegensatz dazu haben aktive, intelligente Schutz-ICs bereits gezeigt, dass sie nicht nur die Anforderungen der bereits genannten Bauteile erfüllen, sondern in vielerlei Hinsicht auch noch robuster sind.

Aufgrund der großen Auswahl an Schutzbauteilen besteht die größte Herausforderung für Entwickler darin, die richtige Lösung zu finden. Um die Auswahl zu erleichtern, liefert der Beitrag einen Vergleich herkömmlicher Schutzbausteine mit dem Portfolio an Schutzkomponenten von Analog Devices, stellt Eigenschaften dieser Produkte vor und macht Anwendungsvorschläge.

Schutz vor Überspannungen und Überströmen – warum?

Elektroniksysteme in Automotive-, Industrie-, Kommunikations- und Luftfahrtanwendungen müssen mit unterschiedlichen Stromstößen/Spannungsspitzen zurechtkommen (Bild 1). Für jeden dieser Märkte sind transiente Ereignisse in zahlreichen Industriespezifikationen definiert. Beispielsweise werden Transienten im Automobilbereich durch die Spezifikationen ISO 7637-2 und ISO 16750-2 abgedeckt, die sowohl die zu erwartenden Transienten als auch die Testverfahren beschreiben, um sicherzustellen, dass diese konsistent validiert werden.

Die Arten von Überspannungs- und Überstromereignissen und deren Energiegehalt können je nach Einsatzgebiet variieren – Schaltungen können Überspannungen, Überströmen, Sperrspannungen und Sperrströmen ausgesetzt sein. Viele Schaltungen würden ohne Schutzvorkehrungen die in Bild 1 gezeigten Transienten nicht überleben, geschweige denn funktionieren. Daher müssen Entwickler alle möglichen Ereignisse am Eingang in Betracht ziehen und Schutzmechanismen implementieren, die Schaltungen vor Spannungs- und Stromspitzen schützen.

 

Bild 1: Übersicht über einige der härteren ISO 16750-2-Tests
© Analog Devices

Bild 1: Übersicht über einige der härteren ISO 16750-2-Tests

Herausforderungen bei der Entwicklung

Es gibt viele Ursachen für Spannungs- und Stromspitzen, wobei manche Umgebungen anfälliger für transiente Ereignisse sind als andere. Anwendungen in Automobil-, Industrie- und Kommunikationsumgebungen weisen bekanntlich ein höheres Potenzial für Stromstöße/Spannungsspitzen auf, die die Elektronik beschädigen können. Die Transienten sind aber nicht auf die genannten Märkte beschränkt. Anwendungen, die hohe Spannungen beziehungsweise hohe Ströme benötigen oder deren Versorgung im laufenden Betrieb (Hot Plug) angeschlossen werden kann, sowie Systeme, die Motoren enthalten oder potenziellen, durch Blitze induzierten Transienten ausgesetzt sind, benötigen Schutzschaltungen. Hochvoltereignisse können in einem großen Zeitbereich auftreten, von Mikrosekunden bis zu Hunderten Millisekunden. Daher ist ein flexibler und zuverlässiger Schutzmechanismus unerlässlich, um die Langlebigkeit der teuren, nachgeschalteten Elektronik zu gewährleisten.

Load Dump (Lastabfall) kann in Automobilanwendungen auftreten, wenn die Lichtmaschine kurzzeitig von der Batterie getrennt wird. Durch diese Trennung gelangt der volle Ladestrom der Lichtmaschine auf die Stromschiene, was die Spannung für Hunderte Millisekunden auf sehr hohe Werte von mehr als 100 V anhebt.

Bei Kommunikationsanwendungen gibt es viele mögliche Überspannungsursachen, angefangen beim Austausch von Kommunikations-Boards im laufenden Betrieb bis hin zu Installationen im Freien, die Blitzschlägen ausgesetzt sind. Induktive Spannungsspitzen sind auch bei langen Verbindungsleitungen, die in großen Anlagen verwendet werden, möglich.

Entwickler müssen die Eigenschaften der Umgebung, in der ein Elektronikgerät arbeitet, genau kennen und die relevanten Spezifikationen erfüllen. Dies hilft Entwicklern, einen optimalen Schutzmechanismus zu realisieren, der widerstandsfähig ist und ermöglicht, dass die nachgeschaltete Elektronik innerhalb ihrer sicheren Spannungspegel unterbrechungsfrei arbeitet.

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1. Teure Halbleiter vor Überspannungen/Überströmen schützen
2. Herkömmliche Schutzschaltungen
3. Aktiver Schutz mit Überspannungsstopper

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