Auf einen Blick

Elektronische Schaltungen in mobilen Anwendungen, Unterhaltungselektronik und Industrieanlagen sowie der Automobil-Elektronik reagieren sensibel auf Überspannungen und elektrostatische Entladungen (ESD). Je nach Stärke der Spannungstransienten führen sie zu latenten Störungen oder zu einem Komplettausfall. Um die Schaltungen davor zu schützen, werden oft Schutzbauelemente auf Basis von Halbleitern eingesetzt, überwiegend TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor Diode). Neueste Schaltungstrends wie zum Beispiel bei Smartphones mit immer schnelleren Datenübertragungsraten auf engstem Raum erfordern neuartige Halbleiterchipsets, die jedoch äußerst sensibel auf ESD-Überspannungen reagieren.

Bild 1: Designvergleich von Epcos MLV und TVS-Diode.

Bild 1: Designvergleich von Epcos MLV und TVS-Diode.Epcos

Durch Innovationen bei Material, Prozess und Design können erstmalig Epcos-Vielschichtvaristoren (MLVs = Multilayer Varistors) mit geringer Baugröße, sehr niedrigen Klemmspannungen und geringen Kapazitäten im Bereich der Smartphone-Anwendungen als Alternativen angeboten werden. Vergleiche der beiden Schutz-Technologien von TVS-Dioden und MLVs beschränken sich bisweilen nur auf Klemmspannungen und Leckströme. Darüber hinaus spielt jedoch die Baugröße einen weiteren wesentlichen Aspekt bei der Auswahl der Bauelemente und der ansteigenden Integrationsdichte in den Mobilanwendungen. Dabei weisen die bis zu 300 µm dünnen MLVs ein weitaus höheres Energie-Absorptionsvermögen pro Volumen auf als vergleichbare TVS-Dioden (Bild 1). Damit sind diese Vielschichtvaristoren für Designer eine platzsparende und kostengünstige Option.

Bild 2: Derating-Vergleich von Epcos MLVs und TVS-Dioden.

Bild 2: Derating-Vergleich von Epcos MLVs und TVS-Dioden.Epcos

Auch beim Temperatur-Derating weisen MLVs deutliche Vorteile auf. Die Derating-Temperatur der Bauelemente liegt bei 85 °C. Spezielle Typen erzielen sogar Derating-Temperaturen von 150 °C. Gerade für die Entwicklung von Smartphones ist dies ein entscheidender Faktor, denn durch die Verlustleistung des Leistungsverstärkers können im Inneren des Gerätes Temperaturen von bis zu 85 °C entstehen. Bei TVS-Dioden tritt bereits ab 25 °C das Derating ein, bei 85 °C bieten sie sogar nur noch 50 Prozent ihrer ursprünglichen Absorptionsleistung (Bild 2). MLVs sind demnach die eindeutig bessere Lösung, wenn es gilt, hohe Betriebstemperaturen zu beherrschen. Dieses Verhalten wurde durch Messungen und Simulationen als auch von Smartphone-Herstellern bestätigt.

Bild 3: Vielschichtvaristoren für den Überspannungsschutz in Schaltungen.

Bild 3: Vielschichtvaristoren für den Überspannungsschutz in Schaltungen.Epcos

Hochintegrierte MLV-Bauelemente bieten eine deutlich bessere Einfügedämpfung als TVS-Dioden in derselben Kapazitätsklasse, da ihre parasitären Induktivitäten wesentlich geringer sind. Dies liegt daran, dass TVS-Lösungen ein zusätzliches Gehäuse mit Anschlüssen und kostspieligen internen Bonddrähten benötigen. Die geringeren induktiven Beiwerte der MLVs von zum Beispiel nur 0,1 nH in der neuen Bauformreihe 0201 (Bild 3) wirken sich auch positiv auf die Höhe der Klemmspannung aus: Besondere Leistung zeigen die MLV-Lösungen gerade bei steigender ESD-Impulsspannung mit bis zu 10 bis 30 Prozent geringerer Klemmspannung als TVS-Dioden (Bild 4). Auch bei den Ansprechzeiten zeigen MLVs deutlich bessere Parameter. So erreichen sie ultraschnelle Ansprechzeiten im Nanosekundenbereich und sind gegenüber den TVS-Dioden um 30 Prozent schneller.

Bild 4: Vor allem bei hohen ESD-Impulsspannungen bieten Lösungen auf Basis von MLVs deutlich geringere Klemmspannungen als TVS-Dioden.

Bild 4: Vor allem bei hohen ESD-Impulsspannungen bieten Lösungen auf Basis von MLVs deutlich geringere Klemmspannungen als TVS-Dioden.Epcos

Schaltungsdesign entscheidend für Performance

Bei einer elektrostatischen Entladung, die einen hochdynamischen Prozess im Nanosekundenbereich darstellt, darf nicht ausschließlich das Verhalten des Schutzbauelements betrachtet werden. Vielmehr muss auch die Interaktion mit der Peripherie und dem gesamten System ins Blickfeld rücken. Neben dem Platinenlayout gilt es auch, andere diskrete Bauelemente und Steckverbinder zu berücksichtigen. In Bild 5 sind die Messergebnisse von Epcos-MLVs im Vergleich mit einem Mitbewerberprodukt dargestellt, wie sie in einer Schaltung eines Smartphones eingesetzt werden. Es wird deutlich, dass auch bei gleichen Bauformen und elektrischen Werten signifikante Unterschiede hinsichtlich der Performance in der konkreten Schaltung vorliegen. So konnte in unterschiedlichsten Smartphone-Generationen verschiedener Hersteller an sensiblen Eingangsschnittstellen, wie zum Beispiel am Kopfhörer und Ein- und / Ausschalter, der Nachweis eines verbesserten ESD-Schutzes eindrucksvoll nachgewiesen werden.

Bild 5: Vergleich von Epcos MLVs mit einem Konkurrenzprodukt.

Bild 5: Vergleich von Epcos MLVs mit einem Konkurrenzprodukt.Epcos

Kenndaten der Vielschichtvaristoren der neuen Baureihe 0201

  • Baugrößen [mm]                                                0,6 × 0,3
  • Varistorspannungen [VDC]                                  13 bis 22
  • Kapazität [pF]                                                      7 bis 15
  • Leckstrom [µA]                                                   < 0,1
  • Klemmspannung (1A) [V]                                   33 bis 66
  • Spitzenspannung (8 kV Kontakt) [V]                    60 bis 80