Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen für robuste Schaltkreise und zur Aufrechterhaltung der elektrischen Integrität

Schnelle transiente Spannungen (EFT) sind eine Realität und müssen berücksichtigt werden, um Schaltkreise, Systeme und Systembenutzer zu schützen. EFTs haben viele Quellen, einschließlich der üblichen elektrostatischen Entladung (ESD), die durch einfache Handlungen wie das Gehen über einen Teppich, das Anlassen eines Motors oder das Einschlagen eines Blitzes verursacht werden. Diese Transienten können jede Produktklasse beeinträchtigen, von batteriebetriebenen Wearables mit niedriger Spannung bis hin zu Hochleistungsmotorsystemen.

Die Auswirkungen von EFTs reichen von vorübergehenden Störungen und Funktionsunfähigkeiten bis hin zu langfristigen Leistungseinbußen und dauerhaften Schäden und Ausfällen. Zwar können Maßnahmen zur Verringerung von Spannungstransienten ergriffen werden, wie z. B. die Verwendung von antistatischen Gehäusen, Filterung, Klemmung an der Quelle oder zusätzliche Erdung, doch müssen diese Maßnahmen je nach Anwendungsszenario häufig überarbeitet oder erweitert werden.

Um die schädlichen Folgen von Überspannungen zuverlässig zu minimieren oder zu beseitigen, können passive Bauteile mit zwei Anschlüssen, so genannte TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression), verwendet werden. Obwohl sie im Allgemeinen als offener Stromkreis betrachtet werden, reagieren diese Dioden fast augenblicklich und ähneln einem Kurzschluss, wenn das transiente Ereignis eintritt, wodurch die transiente Überspannung zur Erde abgeleitet wird. TVS-Dioden bieten eine schnelle Reaktion, eine hohe Spannungsfestigkeit, eine lange Lebensdauer und eine geringe Kapazität.

Dieser Artikel untersucht den Bedarf, die Rolle, die Typen und die Anwendung von TVS-Dioden am Beispiel verschiedener Bauteilfamilien und Komponenten der Eaton Corporation plc (Eaton).

Beginnen wir mit den IEC-Normen

Um die Risiken von EFTs zu mindern, hat die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) in der Norm IEC 61000-4 („Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Prüf- und Messverfahren“) drei international anerkannte Standards für den Überspannungsschutz festgelegt):

1) IEC 61000-4-2 deckt die ESD-Störfestigkeit auf Systemebene ab, die sich auf durch menschlichen Kontakt verursachte ESD bezieht (Abbildung 1). Bei dieser Wellenform ist die Anstiegszeit (tr) mit 0,7 bis 1 Nanosekunde (ns) kurz, wobei der größte Teil der Energie innerhalb der ersten 30 ns abgeleitet wird. Daher ist ein sehr schnell wirkender Überspannungsschutz erforderlich, um rechtzeitig auf ESD-Ereignisse reagieren zu können.

Abbildung 1: Eine typische ESD-Impulswellenform durch menschlichen Kontakt, wie sie in der IEC 61000-4-2 beschrieben ist, zeigt eine sehr kurze Anstiegszeit von weniger als einer Nanosekunde, wobei der Großteil der Energie innerhalb der ersten 30 ns abgeleitet wird. (Bildquelle: Eaton)

Die Wellenform allein sagt nichts über die zugehörigen Spannungspegel aus. IEC 61000-4-2 spezifiziert Testspannungen für die ESD-Störfestigkeit auf Systemebene in verschiedenen Geräten für Kontakt- und Luftentladung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Stufen gemäß IEC 61000-4-2 für Luft- und Kontaktentladung definieren die Besonderheiten des Kontakts mit Menschen weiter. (Bildquelle: Eaton)

Die geeignete Wahl einer TVS-Diode hängt von dem für eine Anwendung erforderlichen ESD-Schutzniveau ab. Beachten Sie, dass alle TVS-Dioden von Eaton eine Mindestleistung der Stufe 4 bieten, wenn sie nach IEC 61000-4-2 getestet werden. Andere Optionen sind mit einem noch höheren ESD-Schutz erhältlich, der bis zu 30 Kilovolt (kV) für Luft- und Kontaktentladungen bietet.

2) IEC 61000-4-5 deckt die Störfestigkeit gegen elektrische Überspannungen ab, z. B. durch Blitzschlag oder Schaltnetzteile. Im Gegensatz zu statischer Elektrizität mit relativ geringer Energie können Blitzeinschläge bis zu 1 Gigajoule (GJ) Energie enthalten und eine Überspannung von bis zu 120 kV liefern. Blitzinduzierte Transienten können durch direkte Blitzeinschläge in Stromkreise im Freien, die Überspannungen erzeugen, durch indirekte Blitzeinschläge, die Überspannungen in Leitern induzieren, oder durch blitzbedingte Erdströme entstehen. Beachten Sie, dass TVS-ESD-Entstörer nicht zum Schutz vor direkten Blitzeinschlägen gedacht sind, aber dennoch benötigt werden, da diese Einschläge Transienten über Entfernungen von 1 Kilometer oder mehr durch elektrische Verteilungssysteme schicken können.

Die IEC 61000-4-5 definiert eine typische Blitzspannungswellenform (Bild 3).

Abbildung 3: Dies ist die in der IEC 61000-4-5 definierte Blitzimpulswellenform (I_PP ist der Spitzenstrom). (Bildquelle: Eaton)

Die Norm IEC 61000-4-5 legt auch Prüfspannungspegel für die Überspannungsfestigkeit in Klassen von elektrischen/elektronischen Geräten fest (Abbildung 4).

Die Stufen werden durch die Endanwendung definiert:

• Klasse 1: Teilweise geschützte elektrische Umgebung
• Klasse 2: Elektrische Umgebung, in der die Kabel auch auf kurzen Strecken gut voneinander getrennt sind
• Klasse 3: Elektrische Umgebung, in der Strom- und Signalkabel parallel verlaufen
• Klasse 4: Elektrische Umgebung mit Verbindungen, die als Außenkabel zusammen mit Stromkabeln verlegt werden, und die Kabel werden sowohl für elektronische als auch für elektrische Schaltungen verwendet

Abbildung 4: IEC 61000-4-5 definiert vier Klassen von Teststufen für die elektrische Überspannungsfestigkeit. (Bildquelle: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 behandelt den Schutz von EFTs (Abbildung 5). EFTs werden durch den Betrieb von induktiven Lasten wie Hochleistungsmotoren, Relais, Schaltschützen in Stromverteilungssystemen und durch das Ein- und Ausschalten von Geräten zur Leistungsfaktorkorrektur verursacht.

Abbildung 5: Dargestellt ist die EFT-Impulswellenform, wie sie durch die IEC 61000-4-4 charakterisiert wird. (Bildquelle: Eaton)

Beachten Sie, dass EFTs oft einfach durch zwei Zahlenpaare charakterisiert werden: ihre Anstiegszeit bis zum Spitzenwert (t₁) und die Impulsdauer, bis die Transiente auf 50 % des Spitzenwertes abfällt (t₂). Die 8/20-Mikrosekunden(µs)-Transiente ist ein üblicher Impuls in industriellen Anwendungen.

Die Höhe der transienten ESD-Spannung, der ein Schaltkreis oder System standhalten muss, hängt von der Anwendung ab. MIL-STD-883 definiert drei Klassen, die in der Industrie sowie in der Militär- und Raumfahrttechnik weit verbreitet sind (Abbildung 6).

Abbildung 6: Es gibt drei Stufen der ESD-Empfindlichkeitsklassifizierung gemäß MIL-STD-883 Methode Nummer 3015. (Bildquelle: Eaton)

TVS-Komponenten lösen das Problem

Um verschiedene Anforderungen zu erfüllen und ihre Systeme zu schützen, können Entwickler TVS-Dioden einsetzen. TVS-Dioden sind Silizium-Komponenten für den Überspannungsschutz, die nach dem Prinzip des Lawinendurchbruchs (Avalanche) funktionieren. Sie werden parallel zum normalen Stromkreis installiert, um die internen Komponenten vor Kurzzeit- (Transienten) und mittleren/hohen Spannungen zu schützen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die TVS-Diode wird über den Eingang zwischen der zu schützenden Leitung und der Systemmasse gelegt. (Bildquelle: Eaton)

Bei normalem, nicht transientem Betrieb halten TVS-Dioden eine hohe Impedanz aufrecht und stören die Strom- oder Signalübertragung nicht. Wenn eine TVS-Diode jedoch einen sofortigen, energiereichen Stromstoß über ihre Anschlüsse erfährt, schützt sie die nachgeschalteten Schaltkreiselemente, indem sie schnell in einen Zustand niedriger Impedanz übergeht (Lawinendurchbruch genannt), um den großen Strom zu absorbieren und die Spannung auf ein sicheres Niveau zu begrenzen.

TVS-Dioden sind als unidirektionale oder bidirektionale Komponenten mit P-N-Sperrschicht erhältlich. Trotz der Namen unterdrücken die meisten unidirektionalen TVS-Dioden Spannungen in beiden Polaritäten. Der Unterschied besteht darin, dass unidirektionale Typen asymmetrische Spannungs-Strom-Eigenschaften (V-I) aufweisen, während bidirektionale TVS-Dioden symmetrische V-I-Eigenschaften haben (Abbildung 8). Bidirektionale TVS-Dioden eignen sich gut für den Schutz elektrischer Knoten mit Signalen, die bidirektional sind oder sowohl über als auch unter der Massespannung liegen.

Abbildung 8: Die Namen der TVS-Dioden spiegeln keine inhärente Richtwirkung wider. Stattdessen haben unidirektionale TVS-Dioden asymmetrische Spannungs-Strom-Eigenschaften (V-I), während bidirektionale Dioden symmetrische V-I-Eigenschaften haben. (Bildquelle: Eaton)

Erstklassige Parameter, Verpackung und Platzierung bestimmen die TVS-Leistung

TVS-Dioden werden durch viele hochrangige Spezifikationen definiert. Zu ihnen gehören:

• Nominale maximale Sperrbetriebsspannung (V_RWM): Dies ist die maximale Betriebsspannung einer TVS-Diode im „AUS“-Zustand
• Durchbruchspannung (V_BR): Die Spannung, bei der ein Lawinendurchbruch in einer TVS-Diode auftritt, was zu einer niedrigen Impedanz führt
• Rückwärtsleckstrom (I_R): Der Strom, der durch eine TVS-Diode fließt, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist
• Klemmspannung (Vc): Die Spannung über einer TVS-Diode bei ihrem Spitzenimpulsstrom (I_pp)
• Kapazität: Ein Maß für die gespeicherte Ladung, in der Regel in Pikofarad (pF), zwischen dem Eingangspin und einem anderen Bezugspunkt (oft Masse/Erde), in der Regel mit einem 1-Megahertz (MHz)-Signal gemessen
• Spitzenstrom (I_pp): Die Differenz zwischen der maximalen positiven und der maximalen negativen Amplitude einer Stromwellenform

Die Auswahl einer TVS-Diode erfolgt in der Regel in vier Schritten:

1. Wählen Sie eine Diode mit einer Sperrspannung, die höher ist als die normale Betriebsspannung
2. Überprüfen Sie, ob der angegebene Spitzenstrom den erwarteten Spitzenstrom übersteigt, und stellen Sie sicher, dass die Diode so spezifiziert ist, dass sie die erforderliche Leistung während eines transienten Ereignisses verarbeiten kann
3. Berechnen Sie die maximale Klemmspannung (V_CL) der ausgewählten Diode
4. Vergewissern Sie sich, dass die berechnete V_CL kleiner ist als der angegebene absolute Höchstwert für den geschützten Pin

Die Platzierung der TVS-Bauteile auf der Leiterplatte ist entscheidend, um die volle Leistungsfähigkeit dieser Bauteile zu erreichen. Für einen optimalen Überspannungsschutz sollten die Dioden so nahe wie möglich an der Spannungseintrittsstelle, z. B. den I/O-Anschlüssen, platziert werden, um die Auswirkungen von Parasiten auf die effektive Unterdrückung der schnellen Überspannungen zu minimieren.

TVS-Beispiele veranschaulichen die Bandbreite der Angebote

Eatons TVS-Dioden eignen sich gut für den Überspannungsschutz in I/O-Schnittstellen und digitalen und analogen Highspeed-Signalleitungen. Sie bieten sehr niedrige Klemmspannungen, hohe Spitzenleistungen, hohe Stromableitung und Ansprechzeiten im Nanosekundenbereich.

Die Verpackung von TVS-Dioden ist eng mit den Spezifikationen verbunden. Es sind sowohl oberflächenmontierbare als auch durchkontaktierbare Gehäuse erhältlich, wobei letztere eine höhere Spannungs-/Stromperformance bieten.

TVS-Dioden müssen gegen eine große Bandbreite von Spannungen und Strömen schützen. Daher kann ein einziger Wert für die Nennspannung und andere Parameter nicht allen EFT-Situationen gerecht werden. Beispiele aus vier verschiedenen Familien veranschaulichen diese Punkte.

1) Die SMFE-Serie hat eine Impulsspitzenleistung von 200 Watt mit einer Wellenform von 10/1000 µs. Die Bausteine sind in einem flachen SOD-123FL-Gehäuse mit den Abmessungen 2 × 3 × 1,35 Millimeter (mm) untergebracht, das dem Industriestandard entspricht und den Platz auf der Leiterplatte für mobile und tragbare Geräte optimiert.

Ein Mitglied dieser Serie ist die SMFE5-0A (Abbildung 9). Die Komponente bietet eine Klemmspannung von 9,2 V, einen I_pp-Wert von 21,7 Ampere (A) und unterstützt unidirektionale oder bidirektionale Anwendungsfälle. Der Rückwärtsleckstrom liegt unter 1 μA oberhalb von 10 V, und die Ansprechzeit ist schnell, typischerweise weniger als 1,0 Pikosekunden (ps) von 0 Volt auf V_BR.

Abbildung 9: Die 9,2V-TVS-Diode SMFE5-0A wird in einem flachen, oberflächenmontierbaren SOD-123FL-Gehäuse geliefert und zielt auf mobile und tragbare Anwendungen ab. (Bildquelle: Eaton)

2) Die ST-Serie schützt eine bidirektionale I/O-Leitung und zielt auf USB- und andere Datenanschlüsse, Touchpads, Tasten, Gleichstromversorgung, RJ-45-Anschlüsse und HF-Antennen ab. Mitglieder dieser Familie wie die STS321120B301 für 33 Volt, 12 A I_pp sind in einem winzigen SOD-323 SMT-Gehäuse mit den Abmessungen 1,8 × 1,4 × 1,0 mm untergebracht und für 400 Watt Pulsspitzenleistung pro Leitung (t_P = 8/20 μs) ausgelegt. Die Dioden dieser Serie unterstützen Arbeitsspannungen von 2,8 Volt DC (V_DC) bis 70 V_DC mit einer extrem niedrigen Kapazität ab 0,15 pF. Diese Dioden bieten ESD-Schutz bis zu 30 kV (gemäß IEC 61000-4-2).

3) Die AK-Serie umfasst leistungsstarke TVS-Dioden mit einem Schutz von bis zu 10.000 A und ist für strenge Überspannungstests in AC- und DC-Anwendungen ausgelegt. Diese Dioden zeichnen sich dank der Snapback-Technologie durch einen geringen Flankenwiderstand sowie einen hervorragenden Klemmfaktor aus. Sie erfüllen die UL1449-Normen für Überspannungsschutzkomponenten für Anwendungen wie Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräte, Industrieautomation oder AC-Leitungsschutz. (Anmerkung: Steilheit oder dynamischer Widerstand ist der Widerstand, den die Diode bietet, wenn eine Wechselspannung angelegt wird; Snapback ist ein Bauteilprozess, bei dem große Ströme auch bei niedrigeren Spannungen weitergeleitet werden)

Um die Stromstärke- und UL-Anforderungen zu erfüllen, verwenden die Komponenten dieser Serie ein axial bedrahtetes durchkontaktierbares Gehäuse wie bei der Komponente AK6E-066C, eine 120V-Klemmung und eine Diode für 6000 A I_pp (Abbildung 10). Diese Diode misst 25 mm entlang ihrer Leitungen und hat einen fast quadratischen Zentralkörper mit den Abmessungen von etwa 13 × 15 mm.

Abbildung 10: Die leistungsstarke 120V-TVS-Diode AK6E-066C bietet einen Schutz von bis zu 10.000 A und ist in einem axial bedrahteten durchkontaktierbarem Gehäuse untergebracht. (Bildquelle: Eaton)

4) Die TVS-Dioden der Serie SMAJExxH in SMA-Größe sind insofern einzigartig, als sie die für Automobilanwendungen erforderlichen AEC-Q101-Normen erfüllen. Sie bieten 400 Watt Impulsspitzenleistung (mit einer Wellenform von 10/1000 μs) und haben eine schnelle Ansprechzeit, die in der Regel weniger als 1,0 ps von 0 V bis V_BR beträgt, sowie einen I_R unter 1 μA über 10 Volt.

Die Bauelemente dieser Familie reichen von 5 bis 440 Volt mit unidirektionalen und bidirektionalen Versionen für jedes Bauelement und umfassen den SMAJE22AH, der eine Klemmspannung von 35,5 V mit 11,3 A I_pp aufweist (Abbildung 11). Alle Komponenten der Serie sind in oberflächenmontierbaren Kunststoffgehäusen mit Abmessungen von 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (maximal) untergebracht und erfüllen die Entflammbarkeitsklasse UL 94 V-0 (Abbildung 11).

Abbildung 11: Die 35,5V-TVS-Diode SMAJE22AH ist gemäß AEC-Q101 für den Einsatz in Kraftfahrzeugen qualifiziert; sie verwendet außerdem eine Kunststoffverpackung, die der Norm UL 94 V-0 für Entflammbarkeit entspricht. (Bildquelle: Eaton)

Fazit

Elektrische Überspannungen durch statische Elektrizität, das Anlaufen von Motoren oder nahe gelegene Blitze können elektronische Systeme und ihre Komponenten beschädigen. TVS-Dioden reagieren fast sofort auf diese Überspannungen und leiten die transiente Spannung und Energie zur Erde ab, wodurch das System geschützt wird. Wie gezeigt, bietet Eaton verschiedene Serien von TVS-Dioden an, wobei jede Serie zahlreiche Bauelemente mit unterschiedlichen Spannungen umfasst, um die zu erwartende Höhe der Transientenspannung, die Beschränkungen des Endprodukts und die behördlichen Auflagen zu erfüllen und dabei nur wenige Quadratmillimeter Platz auf der Leiterplatte zu benötigen.