Wie sich ein analoges Frontend vor Überlastung schützen lässt

EOS (electrical overstress) ist eine Funktion der Leistung über der Zeit. Es ist hilfreich, sich einen komplexen Schaltkreis als eine einfache Komponente vorzustellen, die Leistung verbraucht – wie etwa ein Widerstand. Liegt über einem Widerstand mit 1 Ω eine Spannung von 1,1 V an, ergibt sich nach der Gleichung P = V²/R ein Leistungsverbrauch von 1,21 W. Der Nennwert des Widerstands beträgt 1 W, wird jedoch wahrscheinlich eine gewisse Toleranz aufweisen, sodass er eine gewisse Dauer durchhält. Aber wahrscheinlich nicht für immer. Was passiert, wenn zum Beispiel die Spannung auf 2 V erhöht wird? In diesem Fall würde der Widerstand als Heizung fungieren, da er viermal so viel Leistung wie im vorigen Beispiel umsetzt. Allerdings nur für kurze Zeit.

Was ist für EOS anfällig?

Bild 1: Die ideale Wellenform des Kontaktentladestroms bei 8 kV. Analog Devices

Bild 2: Wellenformen elektrisch schneller Transienten Level 4, die der Norm IEC61000-4-4-4 entsprechen. Analog Devices

Bild 3: Skizze einer Schaltung in einem IEC-61000-4-2-Test. Analog Devices

Im Allgemeinen ist alles anfällig für EOS, was Elektronik enthält. Besonders gefährdet sind Teile mit Schnittstellen zur Außenwelt, da diese wahrscheinlich die ersten sind, die Phänomenen wie beispielsweise elektrostatische Entladung (ESD) oder Überspannungsspitzen begegnen. Für diesen Artikel sind inbesondere USB-Ports, analoge Frontends von Oszilloskopen und Ladeports von IoT-Geräten von Interesse. Aber wovor ist ein elektrisches System konkret zu schützen? Das IEC (und viele andere Organisationen) beschäftigt sich damit, herauszufinden, welche Arten von EOS In der Realität wahrscheinlich auftreten. IEC 61000-4-2 (ESD) betrifft statische Entladungen, IEC 61000-4-4 befasst sich mit schnellen elektrischen Transienten (EFT, zum Beispiel durch induktive Spannungsspitzen von Motoren) und IEC 61000-4-5 beschreibt Überspannung, also zum Beispiel Blitze oder Leistungssystem-Schalttransienten. Zum besseren Verständis zeigt Bild 1 die ideale Wellenform des Kontaktentladestroms bei 8 kV und Bild 2 zeigt die Wellenformen elektrisch schneller Transienten Level 4, die der Norm IEC61000-4-4-4 entsprechen. In Bild 3 ist eine Schaltung für einen IEC-61000-4-2-Test dargestellt.

Schutz durch den Hersteller

Viele ICs sind herstellerseitig so entwickelt, dass sie elektrostatische Entladungen in Situationen wie zum Beispiel in der Fertigung verkraften – nicht aber in Situationen, in denen sie sich in Systemen befinden und mit Strom versorgt werden. Diese Unterscheidung ist sehr wichtig. Denn wenn ein Verstärker mit Strom versorgt wird, kann er sich unter Einwirkung statischer Elektrizität ganz anders verhalten, so, als wäre er nicht angeschlossen. So lässt sich zum Beispiel eine ESD-Spitze auf ein spannungsloses Bauteil durch interne Schutzdioden abbauen. Eine ESD-Spitze an einem stromführenden Bauteil kann jedoch dazu führen, dass interne Strukturen mehr Strom leiten als die Entwicklung für den Betrieb vorsieht. Dies kann das Bauteil je nach Typ und Versorgungsspannung beschädigen.

Worüber hat der Entwickler Kontrolle?

Keine Kontrolle hat der Entwickler über die IEC-Wellenform, denn ESD, EFT und Überspannung haben sehr unterschiedliche Profile die sich auch unterschiedlich auswirken. Auch besteht keine Kontrolle über die Prozesstechnologien bei der Herstellung: manche Technologien, wie zum Beispiel CMOS-Prozesse, sind anfälliger für Latch-ups. Trench-Isolationen können den Effekt abschwächen. Interne Strukturen des in Betracht zu ziehenden Bauteils liegen genauso außerhalb der Kontrolle des Entwicklers.

Es gibt viele Möglichkeiten, ICs so zu entwickeln, dass ein Schutzkonzept für ein IC funktioniert und für ein anderes möglicherweise nicht. Beispielsweise verfügen viele Geräte über Timing-Schaltungen, die Schutzstrukturen einschalten, sobald eine schnelle Wellenform erkannt wird. Ein gewisses Maß an Kontrolle besteht hinsichtlich des Leiterplattenlayouts. Je näher sich Bauteile am Ort eines EOS-Ereignisses befinden, desto wahrscheinlicher ist, dass sie eine Wellenform mit höherer Energie treffen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wellenform des EOS-Ereignisses sich über eine bestimmte Strecke fortpflanzt und Energie umsetzt – elektromagnetische Störungen (EMI) treten aus dem Fortpflanzungspfad der Wellenform aus, Wärme entsteht aufgrund des Pfadwiderstands, parasitäre Kapazitäten entstehen und induktive Kopplung erfolgt in benachbarte Leiter. Am besten lässt sich die Überlebensfähigkeit eines Bauteils mit einer entsprechenden Schutzschaltung beeinflussen.

Dabei ist zu beachten, dass die OVP- und OTT-Funktionen (Überspannungsschutz und Over the Top) die Eingänge eines Bauteils vor Spannungen außerhalb der Versorgungsspannungen schützen und eine Beschädigung verhindern. Zum Schutz vor Hochspannungstransienten sind sie nicht geeignet. Die Spannungsspezifikationen von OVP und OTT liegen bei einigen zehn Volt über eine bestimmte Versorgungsschiene hinaus. Das wird nicht bei 8.000V helfen. Im Folgenden erläutert der Beitrag Schutzkonzepte ausgehend von einem Operationsverstärker in einer Pufferkonfiguration. Dies gilt als der härteste Test des Schutzes, da am nichtinvertierenden Eingang das EOS-Ereignis ohne Möglichkeit der Energieabfuhr ansteht (bevor der Schutz installiert wird).

RC-Netzwerk-Schutzkonzept

Das Schutzkonzept mit einem Tiefpassfilter am Analogeingang ist in Bild 4 dargestellt. Folgende Überlegungen sollen hier gelten:

• R1 sollte ein impulsfester Widerstand (Dickschicht) sein, damit er nicht so leicht durch Hochspannungstransienten beschädigt wird. Das Spannungsrauschen an R1 ist proportional zur Quadratwurzel des Widerstandswertes – eine wichtige Überlegung, wenn das System rauscharm sein soll.
• C1 sollte ein Keramikkondensator mit einer Gehäusegröße von mindestens 0805 sein, um einen eventuellen Oberflächenlichtbogen über dem Gehäuse abzuschwächen. Die Kapazität sollte mindestens den Temperaturkoeffizienten von X5R (idealerweise C0G/NP0) aufweisen, um die vorhersehbare Kapazität beizubehalten. Zusätzlich sollte C1 möglichst geringe Werte für Reiheninduktivität und Serienwiderstand aufweisen, um das EOS-Ereignis effektiv zu absorbieren. Und schließlich sollte der Kondensator eine möglichst hohe Nennspannung (mindestens 100 V) für die gegebene Baugröße aufweisen.
• Die Kapazität C1 ist in diesem Fall vor R1, weil sie einen kapazitiven Teiler mit dem 150-pF-Kondensator erzeugt, der die Energie der ESD-Wellenform in das System entlädt und abführt, bevor sie an den Verstärker gelangt.

Obwohl diese Methode des Frontend-Schutzes von den Kondensatorherstellern nicht empfohlen wird, hat sie sich vielmals bei Tests an Verstärkern bewährt. Das ESD-Prüfprofil (siehe unten) wurde nur an einem begrenzten Spektrum von Kondensatoren getestet. Falls andere Kondensatoren zum Einsatz kommen, ist es wichtig zu charakterisieren, wie diese mit EOS-Ereignissen umgehen, beispielsweise durch Messung der Kapazität und des Serienwiderstands vor und nach elektrostatischen Entladungen. Das Bauteil sollte die Kapazität beibehalten und nach einem Stressereignis immer bei DC offen sein.

TVS-Netzwerkschutzkonzept

Ein weiteres Schutzkonzept ist ein eingangsseitiger Schutz mit TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor) am Analogeingang (Bild 5). Zu beachten ist hierbei Folgendes:

• Wie bei einem RC-Netzwerk: R1 sollte impulsfest sein und Rauschen ist zu berücksichtigen.
• D1 sollte für die einzuhaltenden Standards spezifiziert sein. Einige Suppressor-Dioden decken eventuell nur ESD ab, andere EFT- und Überspannungsstandards. Die Diode D1 sollte bidirektional sein, damit sie positive und negative Spannungsspitzen verkraften kann.
• Die Sperrspannung von D1 sollte möglichst hoch gewählt werden und dennoch die erforderlichen Tests bestehen. Bei einem zu niedrigen Wert können bei normalen Systemspannungen Leckströme entstehen. Eine zu hohe Rückwärtsspannung kann das System beschädigen.

Bild 4: Schutz eines Operationsverstärkers durch einen Tiefpassfilter am Analogeingang. Analog Devices

Bild 5: Eingangsseitiger Schutz eines OPV durch eine TVS-Diode am Analogeingang. Analog Devices

Tabelle 1: Eine Auswahl getesteter Operationsverstärker und der entsprechenden Schutzkomponenten. Analog Devices

Die allgemein gängige Vorstellung in der analogen Elektronik besagt, dass TVS-Dioden Leckströme aufweisen und daher nicht in analogen Präzisions-Frontends Verwendung finden sollten. Diese Vorstellung trifft nicht immer zu – viele Datenblätter geben einen Ableitstrom von <100 µA an, was für die meisten Analogentwickler ziemlich hoch ist. Das Problem bei diesem Wert ist, dass er bei maximaler Betriebsspannung und Temperatur (150 °C) gilt. In diesem Fall ist die Diode extrem leckstrombehaftet – alle Dioden weisen bei über 85 °C höhere Leckströme auf. Wird eine TVS-Diode mit einer höheren Sperrspannung gewählt und es entstehen bei über 85°C keine niedrigen Leckströme, ist mit wesentlich niedrigeren Leckströmen zu rechnen. Es ist überraschend, wie wenig Leckstrom eine TVS-Diode aufweist, wenn sie richtig ausgewählt wurde. Zum Nachweis wurden Messungen des Leckstroms an zwölf TVS-Dioden der gleichen Bauteilenummer durchgeführt. Von zwölf gemessenen TVS-Dioden hatte der größte Ausreißer einen Leckstrom von 7 pA bei einer DC-Biasspannung von 5 V. Das ist über 10 Millionen Mal besser als das Worst-Case-Szenario im Datenblatt.

Testergebnisse

Eine Reihe von Operationsverstärkern wurden nach den IEC-ESD-Normen getestet, Tabelle 1 zeigt eine Auswahl und mit welchen Komponenten schützbar sind. Obwohl die ESD-Norm drei Spannungsspitzen bei ± 8kV vorgibt, haben alle diese Konzepte eine Anzahl von 100 EOS-Ereignissen bei ± 9kV bestanden und gewährleisten somit einen ausreichenden Schutz.

IEC-Normen sehen vor, dass die Masse der ESD-Quelle über zwei 470-kΩ-Widerstände parallel zu einer Kapazität von 30pF mit der Masse des Verstärkers verbunden wird. Dieser Testaufbau war sehr anspruchsvoll, da die Masse der ESD-Quelle direkt mit der Masse des Verstärkers verbunden war. Die Ergebnisse wurden für zusätzliche Sicherheit auch auf dem beschriebenen IEC-Massekopplungskonzept validiert. Aufgrund der sehr unterschiedlichen internen Strukturen von Verstärkern funktionieren diese Konzepte zwar für die aufgelisteten Bauteile, allerdings gilt dies nicht unbedingt für andere Bauteile. Es ist daher empfehlenswert, bei Verwendung anderer Bauteile oder anderer Schutzkomponenten diese gründlich zu testen. Die hier verwendeten Bauelemente waren:

• Widerstände: Panasonic Serie ERJ-P6, 0805
• Kondensatoren: Yageo 100V C0G/NPO, 0805
• TVS-Dioden: Bourns CDSOD323-T36SC (bidirektional, 36 V, leckstromarm, für ESD, EFT, Überspannungsstandards)
• ESD-Varistoren: Bourns Serie MLA, 0603, 26 V

Bonuskomponente: ESD-Varistor

TVS-Dioden funktionieren hervorragend und können unbegrenzt oft Überspannung ausgesetzt werden. Diese Funktion ist ideal für EFT und Überspannung. Wenn jedoch nur ESD-Schutz benötigt wird, sind ESD-Varistoren interessant. ESD-Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände mit grundlegend hohen Werten, die jedoch ab einer gewissen Spannung niederohmig werden und dann die Energie durch den Varistor leiten.

ESD-Varistoren kommen in der gleichen Konfiguration wie TVS-Dioden zum Einsatz. Sie weisen niedrigere Leckströme auf und kosten weniger als die Hälfte einer TVS-Diode. Zu beachten ist, dass ESD-Varistoren nicht für Hunderte EOS-Ereignisse ausgelegt sind und ihr Widerstand mit jedem Überspannungsereignis abnimmt. Beim Test schnitten ESD-Varistoren am besten ab, wenn der Innenwiderstand etwa doppelt so hoch war, wie es bei einer TVS-Diode sein müsste.

Schaltkreisschutz auf einen Blick

Es mag einfach erscheinen, einen RC-Filter oder eine TVS-Diode nachträglich in eine Schaltung einzubauen. Allerdings sollten dabei alle anderen in diesem Artikel genannten Dinge, welche die Systemleistung und das Schutzniveau beeinflussen, Berücksichtigung finden. Dazu gehört das Layout, die am Frontend verwendeten Bauteile und die zu erfüllende IEC-Norm. Wird dies frühzeitig bedacht, kann dies ein Notfall-Redesign in der Endphase eines Systemdesigns verhindern.

(na)

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