Ob elektrostatische Entladung durch Blitzeinschlag oder das Anlegen von Signalspannungen ohne Betriebsspannung: Die Schäden am Endgerät ohne hinreichenden Schutz durch EOS TVSs können die gleichen sein.

Ob elektrostatische Entladung durch Blitzeinschlag oder das Anlegen von Signalspannungen ohne Betriebsspannung: Die Schäden am Endgerät ohne hinreichenden Schutz durch EOS TVSs können die gleichen sein. WDI

Die gestiegenen Anforderungen und Funktionalitäten von Endprodukten bedeuten für integrierte Schaltungen neben niedrigeren Versorgungsspannungen auch die Steigerung von Komplexität, Funktionalität und Dichte. Mögliche Beschädigungen der ICs durch elektrische Überlast (Electrical Overstress, EOS), elektrostatische Entladung (Electro Static Discharge, ESD), schnelle Transienten (Electrical Fast Transients, EFT) oder Kabelentladungen (Cable Discharge Event, CDE) bleiben daher nicht aus. Wie lässt sich also der Teufelskreis aus verbesserter IC-Performance, gesteigerter Effizienz und der damit einhergehenden Anfälligkeit für potentielle EOS-Schäden durchbrechen?

Electrical Overstress Transient Voltage Suppressors (EOS TVS) eignen sich hervorragend, um ICs mit sehr kleiner Packdichte und Versorgungsspannung zu schützen. Deren Nutzung wird in heutigen Anwendungen nicht nur immer unabdingbarer, auch ihre Performance muss sich den Entwicklungen und neuen Anwendungen ständig anpassen, um ein Höchstmaß an Schutz gewährleisten zu können. Ein signifikanter Treiber für ihre ständige Weiterentwicklung ist die immer höher werdende Datenrate der neuen Endgeräte, woraus sich wiederum eine Problematik ergibt.

Eckdaten

Die schnellere Übertragung immer größerer Datenpakete erfordert einen zuverlässigen Schutz gegen elektrische Überlast, kurz EOS. Entsprechend groß ist die Herausforderung, die richtigen Schutzbauteile für Anwendungen zu finden, ohne dabei Kompromisse bei der Leistung einzugehen und dennoch die mechanischen Anforderungen für immer kleinere Anwendungen zu erfüllen. Diese Kombination ist SMC Diode Solutions mit der neuen Serie E-Guard und den beiden zurzeit erhältlichen Versionen E-Guard0522P (sechs Pins) und E-Guard0524P (zehn Pins) gelungen. Die Transient Voltage Suppressors schützen zwei beziehungsweise vier I/Os und messen dabei gerade einmal 1,45 x 1,0 x 0,58 mm3 beziehungsweise 2,5 x 1,0 x 0,5 mm3. Sie schützen Highspeed-Datenleitungen nach

• IEC 61000-4-2 (ESD) ±17 kV (±15 kV) (Luft), ±12 kV (±8 kV) (Kontakt),
• IEC 61000-4-5 (Blitz) 7 A (5 A)(8/20 μs) sowie
• IEC 61000-4-4 (EFT) 40 A (5/50 ns)

und finden Anwendung in HDMI-, DVI-, Displayport- und eSATA-Interfaces sowie in MDDI Ports und PCI Express.

Bei 0,6 pF ist Schluss

Im Gegensatz zu anderen Kleinsignal-Diskreten können EOS TVSs nicht in das IC integriert werden. Vielmehr geben Konstruktionsbeschreibungen die Platzierung der Bauteile vor: so weit wie möglich entfernt vom zu beschützenden IC und möglichst nah am Eingang von Schaltungen, um dort bereits EOS entgegenzuwirken. Also zum Beispiel am Geräteeingang eines Smartphones. Für gewöhnlich werden EOS TVSs zwischen Datenleitung und Erdung oder zwischen einer Spannungsschiene und Erde platziert. Erhöhen sich die Datenraten, reduziert sich die Impedanz der EOS TVSs aufgrund der Bauteilekapazität, gemessen in Picofarad (pF). Diese geringere Impedanz hat einen negativen Einfluss auf Signalintegrität und Amplitude und leitet das Signal direkt zur Erdung ab. Als Lösung für die gestiegenen Datenraten muss also die Kapazität der EOS TVSs verringert werden.

Doch was noch vor wenigen Jahren als niedrig kapazitives Bauelement galt, wird heute schon als hochkapazitives Bauteil angesehen und ist in vielen aktuellen Datenprotokollen nicht mehr einsetzbar. Für Datenraten ab USB 3.0, also mehr als 5 GBit/s, kommen nur noch EOS TVSs mit einer maximalen Kapazität von 0,6 pF zum Einsatz. Werte darüber haben eine unakzeptable Signaldämpfung zur Folge. Zusätzlich zur niedrigen Kapazität ist ein sehr enges Klemmverhältnis unbedingt notwendig. Dieses ergibt sich aus der Berechnung, wie nah der EOS an der maximal erlaubten Spitzenspannung abgesichert wird, in Relation zur Gegenspannung des Bauteils (normale Arbeitsspannung der Schaltung). Im Idealfall wären die Klemmspannung Vc und die Gegenspannung VRWM gleich. In der Realität jedoch ist Vc grundsätzlich höher als VRWM und in einigen Anwendungen ist Vc/VRWM sogar größer als 4.

Große Anforderungen an ein kleines Bauteil

Die Suche nach EOS TVSs mit dem kleinstmöglichen Vc/VRWM-Verhältnis ist aber nur die halbe Miete. Beim Gehäusedesign von Bauteilen spielen die Abmessungen und insbesondere die Bauhöhe eine immer größere Rolle, denn Endprodukte verlangen nach ultra-dünnen IC-Gehäusen. Aufgrund der verschiedenen Technologien und Materialien sind viele EOS TVSs nicht gerade gut für eine niedrige Bauform geeignet. Mit Silizium-basierenden Bauteilen lassen sich, bedingt durch die Konstruktion des dünnen Siliziumchips parallel zur Leiterplatte, sehr dünne Gehäuseformen realisieren. Aktuell bieten bereits einige Hersteller verschiedene Bauteile mit Gehäusehöhen von unter 0,4 mm an.

Der eGuard0522P mit einer Kapazität von 0,35 pF bietet zweifachen I/O-Schutz.

Der eGuard0522P mit einer Kapazität von 0,35 pF bietet zweifachen I/O-Schutz. WDI

Und schließlich gilt es noch, die Leistungsfähigkeit eines EOS TVS im Verhältnis zu Standby-Leistung und Blindstrom abzuwägen. Es ist sehr gut möglich, dass ein EOS TVS während der Lebensdauer der zu schützenden Schaltung nur ein- oder zweimal in Aktion treten muss, um unerwünschte Überbelastungen zu verhindern. Die Frage ist, was er die anderen 99,9 Prozent der Zeit macht? Hoffentlich nichts. Idealerweise ist die Suppressordiode in der Schaltung komplett unsichtbar und konsumiert keinen Strom. In der Realität jedoch kommt es selbst im Leerlauf zu geringen Blindströmen. Weil dieser Verluststrom zu Ineffizienz beim Energieverbrauch des Endgerätes führt, versucht man EOS TVSs mit möglichst geringem Standby-Leistungsverbrauch auszuwählen.

Mit einer Bauhöhe von nur 0,5 mm lässt sich der zehnpolige eGuard0524P optimal integrieren.

Mit einer Bauhöhe von nur 0,5 mm lässt sich der zehnpolige eGuard0524P optimal integrieren. WDI

Die unterschiedlichen Technologien, Gehäuseformen und natürlich auch die Kosten bieten diverse Entscheidungsmöglichkeiten bei der Auswahl. Leider erfüllt keines der Bauteile alle wünschenswerten Voraussetzungen hinsichtlich Kapazität, Klemmverhältnis, maximaler Energie, Standby-Leistung und Bauhöhe optimal. Jedoch gibt es inzwischen neue Bauteile, die Entwicklern nur noch wenige Kompromisse abverlangen und gleichzeitig den kritischen Designvorgaben gerecht werden. SMC Diode Solutions hat in den Silizium-basierenden EOS TVSs der Serie E-Guard die kritischen Eigenschaften ultra-niedrige Kapazität, sehr enges Klemmverhältnis und niedriger Blindstrom in einem sehr flachen Gehäuse vereint.