Elektronik vor Überspannungsschäden schützen

Durch die Auswahl des richtigen ESD-Schutzes können Elektronikhersteller sicherstellen, dass ihre Produkte ein integraler Bestandteil im Leben ihrer Kunden bleiben und den entsprechenden Sicherheitsrichtlinien entsprechen.Littelfuse

Für die Anwender ein kleiner Schlag, wenn sie an einem kalten Winter- oder einem heißen Sommertag bei trockener Luft beim Aussteigen die Autotür berühren, der zwar unangenehm, aber nicht weiter schlimm ist. Elektrogeräte können durch diese elektrostatische Entladung (ESD) allerdings zerstört werden. Auch Tastaturen, USB- und Ethernet-Ports können, wenn sie mit anderen Geräten verbunden sind, durch elektrostatische Entladungen in Mitleidenschaft gezogen werden, sodass sie nicht mehr sachgemäß funktionieren.

Hochspannung in der Luft

Die Ursache für elektrostatische Entladungen ist Reibungselektrizität, die zwischen zwei gegensätzlich geladenen Materialien entsteht. Wenn Gummi-Schuhsohlen zum Beispiel mit Teppichboden in Berührung kommen, oder ein Kunststoff-Stuhl auf Vinyl-Fliesen rollt, entstehen je nach Luftfeuchtigkeit Spannungen zwischen 250 und 35.000 V. Die wenigsten Schaltkreise sind für derartige Überspannungen ausgelegt. Die folgende Tabelle stellt einige typische Spannungspegel elektrostatischer Entladungen dar:

Typische Spannungspegel elektrostatischer Entladung.Littelfuse

In dem Moment, in dem der Anwender ein Elektrogerät berührt, das ein anderes elektrisches Potenzial besitzt als er selbst, entlädt sich die Spannung an einem Ein- oder Ausgangsport, etwa einem Kopfhörer- oder USB-Anschluss. Unter ungünstigen Umständen kann dies den Schaltkreis zerstören. Trotzdem gehen viele Elektronikhersteller dieses Risiko ein, um Unterhaltungselektronik kostengünstiger anbieten, kompakter designen und gleichzeitig einen größeren Funktionsumfang abbilden zu können. Dieser Trend zwingt die Hersteller integrierter Schaltkreise dazu, Siliziumbauteile immer kleiner auszulegen. Das hat zur Folge, dass sie immer öfter auf interne ESD-Schutzkomponenten verzichten. Laut der amerikanischen Handelsorganisation Electrostatic Discharge Association lassen sich mittlerweile rund 30 Prozent der Gerätedefekte auf ESD oder elektrische Überspannungen zurückführen.

Schaltkreis- und Gerätehersteller setzen unterschiedliche ESD-Tests ein

Wenig hilfreich sind die unterschiedlichen Testmethoden, die von den Schaltkreis- und Elektronikherstellern angewendet werden. Die Hersteller integrierter Schaltkreise setzen ein ESD-Testmodell ein (MIL-STD-883, Method 3015: Human Body Model), das sich auf die Produktionsumgebung bezieht. Gerätehersteller testen auf Basis der Nutzerumgebung und verwenden hierfür ein strikteres, von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission IEC definiertes Modell (Norm IEC 61000-4-2). In Zahlen ausgedrückt, bedeutet dies, dass die meisten Schaltkreishersteller ihre Produkte bei 500 V mithilfe des Human-Body-Modes (HBM) testen, während Endgerätehersteller entsprechend der IEC 61000-4-2 Norm bei 8000 V prüfen.

Die nachfolgende Tabelle vergleicht die ESD-Ströme gemäß Human-Body-Model und die in der Norm IEC 61000-4-2 aufgeführten umweltbedingten ESD, denen Konsumenten ihre Geräte unwissentlich aussetzen:

Vergleich von ESD-Strömen.Littelfuse

Der Vergleich zeigt, dass der höchste ESD-Pegel nach dem HBM deutlich unter dem ESD-Strompegel der IEC61000-4-2-Norm liegt (in rot dargestellt). Ein 8-kV-Ereignis hat laut HBM einen 5,6-fach höheren Strom zur Folge als im Rahmen der IEC61000-4-2-Norm. Das heißt: Ein Chipsatz, der einen HBM-Test übersteht, überlebt noch lange nicht in der Praxis, wo er deutlich höheren Spannungen ausgesetzt ist. Denn die meisten Schaltkreishersteller testen nur bei maximal 500 V. Wird ein solcher Chipsatz durch eine 8-kV-ESD-Transiente in der Praxis einem fast hundertfach höheren Strom ausgesetzt, ist sein Schicksal besiegelt – sofern keine ESD-Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Mittlerweile bewegen sich die Testpegel sogar in Richtung 20 bis 30 kV, sodass die „Lücke“ zwischen Praxis und Testszenario immer größer wird. Dies unterstreicht den wachsenden Bedarf an wirksamen ESD-Schutzkomponenten.

Dynamischer Widerstand definiert den passenden ESD-Schutz

Bild 1: Eine ideale Lösung minimiert den intrinsischen Widerstand so, dass eine Schutzlösung während einer Überspannung den niedrigsten Impedanzpfad zur Masse hat.Littelfuse

Um sicherzugehen, dass Endgeräte trotz ESD weiterhin zuverlässig funktionieren, ist die Wahl des richtigen (in der Regel als TVS-Dioden-Array bezeichneten) ESD-Schutzes essenziell. Der kritische Parameter bei der Auswahl ist der dynamische Widerstand. Jede Schutzlösung verfügt über einen intrinsischen Widerstandswert, der mit ihrer Klemmeigenschaft zusammenhängt. Eine ideale Lösung minimiert den intrinsischen Widerstand so, dass eine Schutzlösung während einer Überspannung den niedrigsten Impedanzpfad zur Masse hat. Bild 1 stellt diesen Sachverhalt dar. Während eines ESD-Ereignisses reduziert die Klemmvorrichtung den Widerstandswert. Ist der Widerstand hoch, entsteht gemäß U = I x R eine höhere Spannung, sodass der Schaltkreis nicht ausreichend geschützt ist. Bei geringem Widerstand entwickelt sich nur eine niedrige Spannung, die den Schaltkreis kaum belastet, und die ESD-Schutzkomponente kann die anliegende Spannung aus dem Schaltkreis ableiten. Grundsätzlich liefern Schutzvorrichtungen aus Silizium aufgrund ihres inhärenten niedrigeren dynamischen Widerstands im Vergleich zu Technologien wie Polymeren oder Keramik den besten ESD-Schutz. Der dynamische Widerstand von Siliziumkomponenten liegt je nach Anbieter zwischen 0,2 und 3,0 Ω, während der Widerstand von Keramiklösungen im Durchschnitt zwischen 2 bis 5 Ω liegt.

(ah)