Robustheit – ein wichtiges IC-Einsatzkriterium

Maxim

Wenn man sich mit der Robustheit von Halbleiterbausteinen beziehungsweise ICs beschäftigt, betrachtet man Faktoren wie den Betriebstemperaturbereich, die Bewältigung elektrischer Störbeeinflussungen und elektrostatischer Entladungen sowie den Fehlerschutz. Dies sind nicht unbedingt die ersten Dinge, an die ein Designingenieur bei der Auswahl eines ICs denkt. Robustheit ist dennoch ein entscheidender Performance-Parameter für ein zuverlässiges Endprodukt mit hohem Qualitätsanspruch und dessen Langzeitbetrieb. Insbesondere beim Design eines Systems für den industriellen Einsatz, bei dem raue Umgebungsbedingungen die Regel sind, ist dies ein ausschlaggebendes Kriterium. Schließlich kann industrielles Equipment hohen Temperaturschwankungen, starken elektrischen Störungen auf den Stromversorgungs‑ und Datenleitungen sowie anderen Störeinflüssen ausgesetzt werden, zu denen beispielsweise elektrostatische Entladungen oder Kurzschlüsse zählen.

Der De-facto-Standard für den Temperaturbereich in industriellen Umgebungen reicht von ‑40 bis +85 °C, also 15 °C mehr als der vor Jahren übliche Bereich von ‑40 bis +70 °C. Es besteht jedoch die Tendenz zum Betrieb bei noch höheren Temperaturen, so dass man letztendlich beim Automotive-Temperaturbereich (‑40 bis +125 °C) angelangen wird. Die höheren Ströme und Leistungsdichten unterstreichen die Notwendigkeit für die IC-Hersteller, ihre Schaltungen für größere Temperaturbereiche zu rüsten, wenn sie nicht Gefahr laufen wollen, beim Auswahlprozess von vornherein ausgesondert zu werden.

Umgang mit Spannungsspitzen

Verdrahtungsfehler oder ungewollte Kurzschlüsse sind häufig die Ursache für Spannungsspitzen auf den Stromversorgungsleitungen. Schäden an nachfolgenden Schaltungen sind die mögliche Folge, wenn deren Eingänge nicht hinreichend geschützt werden. Eine einfache diskrete Schaltung aus einer in Serie geschalteten Sicherung und einer TVS-Diode (Transient-Voltage Suppressor) war in der Vergangenheit der bevorzugte Schutz gegen die meisten Spannungsspitzen.

Schutz gegen Spannungsspitzen bietet diese einfache Schaltung aus diskreten Bauelementen.Maxim

Allerdings ist dieser mit diskreten Bauelementen realisierte Schutz mit einigen Einschränkungen behaftet. Die Ansprechschwelle einer TVS-Diode zum Beispiel ist häufig nicht sehr gut kontrollierbar und kann temperaturbedingt erheblich schwanken. Eine Sicherung muss außerdem nach einem Überspannungs-Ereignis ausgewechselt werden, und schließlich erfordern hohe Spannungsspitzen große TVS-Dioden, die wertvolle Leiterplattenfläche belegen und eine zusätzliche Wärmequelle darstellen.

Besser kontrollierbar wird der Umgang mit Überspannungen und Spannungsspitzen, wenn die Ansprechschwelle und die Schaltungen zur Reaktion auf solche Ereignisse in ein IC integriert sind. Um in jedem Fall ein zuverlässiges Ansprechverhalten zu gewährleisten, gibt es eine Reihe von Überwachungs‑ und Schutz-ICs, die über integrierte Komparatoren und Dioden verfügen. Einige ICs enthalten zudem Funktionen, die Datenleitungen vor hohen Spannungen schützen. Um auch sich selbst vor Fehlern zu bewahren, wechselt ein mit Fehlerschutz ausgestatteter Baustein in den Latch-up-Zustand, wenn die normalen Spannungen auf den Datenleitungen überschritten werden. Ein Beispiel hierfür ist die Multiplexer-Familie MAX4708. In die Bausteine des Typs MAX4708 beziehungsweise MAX4709 sind zwei Fehlerdetektoren integriert: ein High-Side-Detektor für NO_-Spannungen, die höher als die positive Versorgungsspannung (V+) sind und ein Low-Side-Detektor für NO_-Spannungen unterhalb der negativen Versorgungsspannung (V-). Ein Fehler wird registriert, sobald die Spannung an NO_ den von den beiden Versorgungsspannungen begrenzten Bereich verlässt. Tritt dieser Fall ein, werden die beiden FETs N1 und P1 abgeschaltet. Mit diesem Verfahren werden der Eingang und der Ausgang des Schalters rasch getrennt, sobald ein Fehler auftritt.

Funktionsdiagramm des MAX4708/MAX4709: In die Bausteine des Typs MAX4708 beziehungsweise MAX4709 sind zwei Fehlerdetektoren integriert.Maxim

Vor Spannungsspitzen auf Datenleitungen müssen auch RS-485-Transceiver geschützt werden. Der Empfängereingang und der Treiberausgang eines RS-485-Transceivers können mit Spannungen konfrontiert werden, die weit außerhalb des Gleichtaktspannungs-Bereichs von ‑7 bis +12 V liegen, wie er im EIA/TIA-485-Standard für ein industrielles System spezifiziert ist. Neuere Transceiver sind so ausgelegt, dass sie solche Überspannungs-Ereignisse verkraften. Sie überstehen selbst Spannungen bis zu ±80 V (bezogen auf Masse), ohne Schaden zu nehmen. Diese dem neuesten Stand entsprechende Technologie ist Garant für einen robusten Schutz und Langlebigkeit.

Schutz vor ESD-Ereignissen und Fehlern

Integrierte ESD-Schutzschaltungen bewahren ein IC vor schädlichen ESD-Ereignissen und tragen dazu bei, das System insgesamt robuster zu machen. Elektrostatische Entladungen treten auf, wenn zwei Objekte mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial in Kontakt kommen und es unter Entwicklung eines Funkens zu einem Ladungsausgleich kommt. ESD-Ereignisse treten besonders häufig auf, wenn Personen Gegenstände in ihrer Umgebung berühren. Diese unbeabsichtigte Funkenbildung kann die Eigenschaften eines Halbleiterbausteins verändern oder zu seiner völligen Zerstörung führen. In der Industrie sind ESD-Ereignisse ein gravierendes Problem und verursachen jährlich Schäden in Milliarden-Höhe. Im Feld auftretende elektrostatische Entladungen können zu Defekten an Komponenten führen und gelegentlich den Totalausfall ganzer Systeme zur Folge haben.

Schema eines integrierten ESD-Schutzes.Maxim

Datenleitungen lassen sich mit externen ESD-Schutzdioden oder diskreten Bauelementen anderer Art schützen. Viele ICs sind bereits mit einem gewissen Grad an ESD-Schutz ausgestattet und erfordern für sich selbst keine weitergehenden externen Schutzmaßnahmen. Spannungsspitzen am Signal-Ein‑/Ausgang (I/O) werden zum Schutz der internen Schaltungen auf VCC oder GND geschaltet. Viele Interface-Produkte oder Analogschalter sind mit einem integrierten ESD-Schutz ausgestattet, um die Norm IEC 1000-4-2 zu erfüllen. Maxim erzielte bei seinem Profibus-RS-485-Transceiver MAX14770E kürzlich einen ESD-Schutz bis ±35 kV nach dem Human Body Model (HBM).

(ah)