Protect your Ports - Designtipps Teil 3

Schutz von Low-Speed-Schnittstelle und Stromversorgungsschaltung

22. Juli 2022, 8:00 Uhr | Von Todd Phillips, Global Market Manager, Electronic Business Unit, Littelfuse, Inc.
Abbildung 1. Schutz vor transienten Spannungen für die Anschlüsse der Audio- und Videoschnittstellen
Abbildung 1. Schutz vor transienten Spannungen für die Anschlüsse der Audio- und Videoschnittstellen
© Littelfuse

Für zuverlässige Kommunikationssysteme müssen die Entwickler die Auswirkungen der äußeren Umgebung auf ihre Datenanschlüsse berücksichtigen. In einer dreiteiligen Serie gibt Littlefuse Designtipps für Schutzmaßnahmen für Datenports. Teil 3: Low-Speed-Schnittstellen und Stromversorgungsschaltungen.

Dies ist der dritte Artikel der Serie „Ports schützen“ über die Absicherung von Kommunikationsschnittstellen. In diesem Artikel werden Schutzmechanismen für Schnittstellen mit niedriger Geschwindigkeit vorgestellt. Darüber hinaus erweitert er das Thema auf Netzfrequenzen und Gleichstrom, um Schutzmethoden für AC- und DC-Netzteile vorzustellen. Die ersten beiden Teile der Serie gehen auf Schnittstellen mit hoher Datenrate wie Power-over-Ethernet, USB, HDMI, DisplayPort und eSATA ein.

Zu den hier behandelten Low-Speed-Schnittstellen gehören digitales Audio, analoges Video und ein Tastatur-Kommunikationsprotokoll.

Diese Schnittstellen mit niedriger Geschwindigkeit sind anfällig für Spannungstransienten, insbesondere elektrostatische Entladungen (ESD), während netzinduzierte Überstrombedingungen und Spannungstransienten die Stromversorgungen gefährden. Die Entwicklung zuverlässiger Schnittstellenschaltungen, die Spannungsspitzen Stand halten können, erfordert den Einsatz von entsprechenden Schutzmaßnahmen. Im Folgenden gibt es Empfehlungen für die Absicherung dieser Schnittstellen und der Stromquellen, die sie versorgen.

Schutz der digitalen Audioanschlüsse

Der Audio-Codec in einem digitalen Audio-Schaltkreis, den das Blockdiagramm in Abbildung 1 (links oben) zeigt, ist anfällig für Schäden durch schnelle transiente Überspannungen und ESD-Schläge. Elektronikentwickler benötigen aber nur eine Komponente, um sowohl den linken als auch den rechten Ausgang zu schützen. Empfehlenswert ist ein TVS-Dioden-Array (Transient Voltage Suppressor), der aus einem Paar Rücken an Rücken geschalteter Zener-Dioden besteht (siehe Abbildung 2).

Abbildung 1. Schutz vor transienten Spannungen für die Anschlüsse der Audio- und Videoschnittstellen
Abbildung 1. Schutz vor transienten Spannungen für die Anschlüsse der Audio- und Videoschnittstellen
© Littelfuse

Zu den Vorteilen von TVS-Dioden-Arrays gehören:

  • Absorption von bis zu 40 A aus einer schnellen elektrischen Transiente
  • Sichere Absorption eines ESD-Schlags von bis zu ±15 kV
  • Schnelle Reaktion auf eine Transiente von unter 1 ns
  • Niedriger Leckstrom von 0,5 µA für einen vernachlässigbaren Stromverbrauch unter normalen Betriebsbedingungen
  • Eine maximale Kapazität von 6 pF stellt sicher, dass die Schutzdioden nur minimale Auswirkungen auf die Integrität des übertragenen Signals haben

Darüber hinaus gibt es Varianten dieser TVS-Dioden-Arrays, die AEC-Q101-zertifiziert und somit für den Automobilmarkt geeignet sind.[1] Der AEC-Q101-Standard umfasst verschiedene Belastungstests, die ein Bauteil erfüllen muss, um als automobiltaugliche Komponente eingestuft zu werden. Diese TVS-Dioden-Arrays sind in einem oberflächenmontierbaren SC70-3-Gehäuse erhältlich. So ermöglicht ein kleines, oberflächenmontierbares Gehäuse einen robusten Anschluss für Audioleitungen.

Abbildung 2. Bidirektionales Dioden-Array-Paar für den ESD-Schutz von Audioschaltungen
Abbildung 2. Bidirektionales Dioden-Array-Paar für den ESD-Schutz von Audioschaltungen
© Littelfuse

Schutz der Videoanschlüsse

Wie Audioanschlüsse sind auch Videoanschlüsse anfällig für ESD und andere Transienten. Abbildung 1 (rechts oben) zeigt einen analogen Videoanschluss mit seinen vier Ausgangsleitungen, Y, C, Video und RF. Ein einziges Bauteil kann den notwendigen Schutz für einen Video-Analog-Digital-Wandler bieten. In diesem Fall ist die empfohlene Komponente ein 4-Kanal-TVS-Dioden-Array-Chip, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dieses Bauteil bietet:

  • Absorption von schnellen elektrischen Transienten bis zu 40 A ohne Schaden
  • ESD-Schutz bis zu ±15 kV über die Luft und ±10 kV durch direkten Kontakt
  • Typischer Ableitstrom von nur 10 nA
  • Typische Pin-Masse-Kapazität von sehr geringen 0,3 pF

Manche dieser Schutzkomponenten sind durch ihre AEC-Q101-Zertifizierung auch für Automobilanwendungen geeignet. Die Komponente ist in einem oberflächenmontierbaren SOT23-6-Gehäuse erhältlich, um den Platzbedarf auf der Leiterplatte zu minimieren. Ein 4-Kanal-TVS-Dioden-Array-Chip bietet den erforderlichen Schutz mit minimalen Auswirkungen auf die Videosignale.

Abbildung 3. 4-Kanal-TVS-Dioden-Array mit Zener-Dioden-Schutz
Abbildung 3. 4-Kanal-TVS-Dioden-Array mit Zener-Dioden-Schutz
© Littelfuse

Schutz der Tastaturanschlüsse

Tastaturen sind Dateneingabe- und Steuergeräte für zahlreiche Industrie- und Verbraucherprodukte. Abbildung 4 (links oben) zeigt ein Blockdiagramm eines Tastaturanschlusses. Für die Aktivierung ist ein direkter Kontakt erforderlich, der eine elektrostatische Entladung auf die Schaltkreise der Tastatur übertragen kann. Für Tastaturleitungen sollten Mehrschichtvaristoren (MLVs) verwendet werden. Diese bieten ein hohes Maß an Schutz durch:

  • Absorption eines Stoßstromimpulses bis zu 500 A oder einer Stoßenergie von 2,5 J
  • Großen Betriebstemperaturbereich von -40° C bis 125° C
  • Großen Betriebsspannungsbereich, schon ab 3,5 V

MLVs helfen dabei, EMV-Normen (Elektromagnetische Verträglichkeit) wie IEC 61000-4-2 einzuhalten. Darüber hinaus sind MLVs in kompakten 0402-Gehäusen für die Oberflächenmontage erhältlich.

Abbildung 4. Schutzmechanismen für Tastaturen und Akkupacks
Abbildung 4. Schutzmechanismen für Tastaturen und Akkupacks
© Littelfuse

Schutz des Steueranschlusses eines Akkupacks

Da der Akku Strom liefert, muss der Controller-Schaltkreis sowohl vor Überstrom als auch vor Spannungsspitzen geschützt werden. Abbildung 4 (rechts oben) zeigt das Blockdiagramm für die Batteriesignale und den Batterie-Controller-Schaltkreis. Da die Batterie Gleichstrom liefert, ist eine schnelle Sicherung für den Überstromschutz am besten geeignet. Sie bietet:

  • Kurze Auslösezeiten von 0,2 s bis zu einer Überlast von 300 %
  • Niederstrom-Sicherungswerte von 0,25 - 5 A
  • Stromunterbrechungswerte von bis zu 35 A bei Spannungen von bis zu 32 V

Ein TVS-Dioden-Array wie der 4-Kanal-Chip schützt vor transienten Spannungen. Er wird zum Schutz der Anschlüsse einer Videoschnittstelle empfohlen und schirmt den Controller-Schaltkreis vor ESD und anderen Transienten ab.

Schutz für Stromquellenschaltungen

Die Stromkreise sind sowohl Überstrom- als auch Überspannungstransienten ausgesetzt. Diese gehen von den Wechselstromleitungen aus. Der Schutz eines Wechselstromkreises erfordert daher sowohl eine Sicherung für den Überstromschutz als auch einen MOV (Metalloxid-Varistor) für den Überspannungsschutz. Bei einigen Anwendungen kommen auch andere Technologien wie TVS-Dioden, SIDACtoren oder GDTs (Gasentladungsröhren) in Frage. Abbildung 5 zeigt eine geeignete Schutzschaltung. Für AC-DC-Stromversorgungen sollte eine träge Glassicherung verwendet werden. Die träge Sicherung verhindert das Auslösen aufgrund von induktiven Stromstößen auf der AC-Leitung. Weitere Merkmale dieses Sicherungstyps sind:

  • Strombelastbarkeit von 10 mA bis maximal 30 A
  • Spannungswerte bis 250 V bei Wechselstrom und höher
  • Stromunterbrechungswerte von bis zu 10 kA für 120-V-AC-Stromkreise.

Diese Sicherungen gibt es als UL- und CSA-zertifizierte Komponenten, die eine schnelle und einfache Zulassung durch ein Normungsgremium ermöglichen.

Abbildung 5. Empfohlener Schutz des AC-Eingangs
Abbildung 5. Empfohlener Schutz des AC-Eingangs
© Littelfuse

Ein MOV mit hoher Strombelastbarkeit am Eingang der AC-DC-Versorgung absorbiert sicher Transienten, die sich auf einer AC-Leitung ausbreiten können, und hält die schädlichen Transienten von den Schaltkreisen der Versorgung fern. Es sollte ein MOV eingesetzt werden, der einem Impulsspitzenstrom von bis zu 10 kA oder einer Impulsenergie von 400 J standhalten kann. Zudem empfiehlt sich ein robuster MOV, der sich über einen weiten Temperaturbereich, z. B. von -55 bis +125 °C, betreiben lässt. Wie bei der Sicherung gilt hier, dass der MOV als UL- oder CSA-Komponente anerkannt sein sollte.

Schutz der verschiedenen Arten von DC-Stromversorgungen

Je nach Spannung des Stromkreises und der Anwendung eignen sich verschiedene Schutzsysteme für die Eingänge von Gleichstromversorgungen. Für jede Art von Stromkreis gibt es unterschiedliche Empfehlungen.

Abbildung 6. Empfohlene Schutzkonfigurationen für den Eingang verschiedener Gleichstromversorgungen
Abbildung 6. Empfohlene Schutzkonfigurationen für den Eingang verschiedener Gleichstromversorgungen
© Littelfuse

Zum Schutz einer 12-V- oder 24-V-Gleichstromversorgung wird ein MOV oder eine TVS-Diode empfohlen, ähnlich wie für eine Wechselstromversorgung. Abbildung 6 (oben links) zeigt den MOV am Eingang der Gleichstromversorgung. Dieses Bauteil schützt den Schaltkreis vor Spitzenstromstößen bis zu 10 kA und kann bei Temperaturen bis zu 125° C betrieben werden.

Bei Gleichstromversorgungen mit höherer Spannung, z. B. 48 V, sollte ein Varistor oder eine TVS-Diode am Eingang und eine Gasentladungsröhre auf der Erdleitung verwendet werden, wie in Abbildung 6 (oben, zweites Bild von links) dargestellt. Die Gasentladungsröhre kann Stromstößen von bis zu 20 kA Stand halten und den Stromkreis davor schützen, bei einem Stromstoß auf ein gefährliches Niveau anzusteigen. Bei einem Isolationswiderstand von 10 GΩ zieht die Gasentladungsröhre im Normalbetrieb weniger als 10 nA.

Eine Gleichstromversorgung, die eine Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur enthält, sollte mit einer seriellen Sicherung und einem parallelen MOV zum Schutz vor Überstrom und Überspannung ausgestattet sein (s. Abbildung 6 oben, zweites Bild von rechts). Mit einer trägen Sicherung lässt sich vermeiden, dass die Sicherung aufgrund eines Einschaltstromstoßes durch ein Schaltnetzteil auslöst. Es gibt träge Keramiksicherungen mit Nennwerten von 10 bis 30 A und Unterbrechungswerten von 20 kA DC bei Spannungen von 500 V. Sie benötigen mit einem Gehäuse von 6,3 mm x 32 mm nur wenig Platz. Der gleiche MOV-Typ wird für die 12/24-V- und 48-V-Gleichstromkreise empfohlen.

Der Schutz einer Gleichstromversorgung in einem tragbaren Gerät erfordert einige zusätzliche Überlegungen. Sowohl Überstrom- als auch Überspannungsschutz sind nach wie vor nötig. Zudem ist eine rückstellbare Polymer-Sicherung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) in die Überlegungen einzubeziehen (s. Abbildung 6 oben rechts). PPTC-Sicherungen bieten den Vorteil, dass die sie im Falle eines Überstroms nicht ausgetauscht werden müssen. Sie haben niedrige Widerstände, die typischerweise im zwei- bis dreistelligen Milliohm-Bereich (mΩ) liegen, und schnelle Auslösezeiten von unter 5 s. PPTC-Sicherungen werden in 0402-Gehäusen zur Oberflächenmontage geliefert, um in kleinen tragbaren Geräten möglichst wenig Platz zu beanspruchen. Anstelle eines MOV sollte eine TVS-Diode für den Überspannungsschutz der DC-Schaltung genutzt werden. Eine TVS-Zener-Diode schützt den Schaltkreis vor ±30 kV großen ESD-Schlägen über die Luft oder durch direkten Kontakt. Außerdem kann die TVS-Diode bis zu 80 A bei einem Blitzeinschlag sicher absorbieren.

Der Ausgang der Gleichstromversorgung sollte ebenfalls angemessen geschützt sein. Eine TVS-Diode, wie in Abbildung 7 dargestellt, schützt empfindliche nachgeschaltete Schaltungen, indem sie Transienten auf niedrige Spannungen begrenzt. Diese TVS-Dioden sind entweder in uni- oder bidirektionaler Ausführung erhältlich.

Abbildung 7. Empfohlenes Bauteil für den Schutz des Ausgangs einer Gleichstromversorgungsschaltung
Abbildung 7. Empfohlenes Bauteil für den Schutz des Ausgangs einer Gleichstromversorgungsschaltung
© Littelfuse

Geschützte Anschlüsse robuste, zuverlässige Anschlüsse

Werden Schutzkomponenten in die Produktentwicklung einbezogen, sind zuverlässige und robuste Schaltungen möglich. Dies erfordert nicht viele Komponenten und die Konfiguration der Bauteile ist einfach. Zur Verfügung steht eine breite Palette an Schutzkomponenten. Um sich den Zeitaufwand für die Auswahl der Komponenten zu erleichtern, sollte das Fachwissen eines Herstellers genutzt werden. Die Anwendungstechniker des Herstellers können bei der Auswahl der Komponenten unterstützen und durch die zahlreichen Normen führen, die für das jeweilige Produkt gelten. Einige Hersteller bieten Testmöglichkeiten an, um die Leistung des Designs für den Schutz vor Überlastungen zu prüfen. Zudem führen sie eine Vorprüfung durch, mit der sich feststellen lässt, ob das Produkt mit den entsprechenden nationalen und internationalen Normen konform ist. Der zusätzliche Schutz wird die Garantiekosten senken und die Reputation des Unternehmens für qualitativ hochwertige Produkte stärken.

Über den Autor

Todd Phillips ist der Global Strategic Market Manager für den Geschäftsbereich Elektronik. Er kam 2006 als Vertriebsingenieur für die Business Unit industrial POWR-GARD zu Littelfuse. 2011 wurde er regionaler Vertriebsleiter im Geschäftsbereich Elektronik. Zu seinen derzeitigen Aufgaben gehören die Entwicklung von Marketingmaterial, das Management von Marketingaktivitäten für neue Produkteinführungen sowie die Durchführung von Marktstudien und Machbarkeitsanalysen für neue Produktideen. Er erhielt seinen BSEE von der Milwaukee School of Engineering.


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