So schützen Sie Ihr PCB mit Suppressordioden vor ESD-Phänomenen

October 9, 2017 Altium Designer

person plugging something into their phone

 

 

Es ist lange her, dass unser Lehrassistent im Schaltungs-Kurs unseres Bachelor-Studiengangs uns gern mit kleinen „Black Box“-Schaltungen traktierte. Wir mussten die Spannungs- und Stromcharakteristika messen und dann ermitteln, aus welchen Bauteilen die Schaltung bestand. Unser Lehrassistent liebte es ganz besonders, Dioden in diesen Schaltkreisen zu verstecken. Damals verstand ich nicht warum, da ich nicht viel von ihnen hielt. Allerdings habe ich sie inzwischen schätzen gelernt, nämlich bei meiner Suche nach Möglichkeiten zum Schutz meiner PCBs vor elektrostatischen Entladungen. Dioden sind ein entscheidendes Element bei der Kontrolle der Spannungen, die einen wesentlichen Effekt elektrostatischer Entladungen (ESD) darstellen.

ESD haben viele Quellen: selbst eine unabsichtliche Berührung kann sie verursachen und zu Spannungsentladungen führen, die auf Ihrer Platine Übles anrichtet. Eine der häufigsten Quellen von ESD sind Eingänge, wenn Kabel angeschlossen oder Tasten gedrückt werden. Hier ist es in Ihrem Interesse, die Spannungsspitze zu minimieren, bevor sie Ihre sensiblen Bauteile erreicht.

 

Zener diode

Trotz der alles andere als überwältigenden Wertschätzung für Dioden in meiner vergeudeten Jugend sind sie ein entscheidendes Element für viele Schaltungsentwürfe und den Schutz von Schaltungen.
 

 

So setzen Sie den ESD-Schutz an Eingängen ein

 

Die erste Verteidigungslinie im ESD-Schutz besteht in der Minimierung der Impedanz der Masseverbindung. Dies ist eine Möglichkeit, die Spannung (VESD) zu minimieren, der die Platine während einer Entladung ausgesetzt ist. Nach dem ohmschen Gesetz ist VESD=IESD·R. IESD aber ist nichts, was Sie kontrollieren können, und so bleibt als einzige Möglichkeit zum Minimieren von VESD, R zu minimieren. Das Problem ist, dass man die Länge der Masseverbindung nicht einfach verkürzen kann, weil die Massefläche eine direkte Verbindung zu allen Ihren sensiblen Bauteilen bereitstellt.

 

Stattdessen können Sie am Eingang eine Schutzschaltung in Form einer Suppressordiode hinzufügen. Suppressordioden oder TVS-Elemente bestehen aus zwei Dioden, die mit einer Avalanche-Diode kombiniert sind. Es gibt sie auch als Einzelbauteile. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung Ihrer Bauteile erheblich, ohne die Kosten oder die Komplexität Ihres Designs wesentlich zu erhöhen.

Die TVS-Schaltung teilt im Prinzip den Strom zwischen dem TVS und dem IC  oder den anderen Bauteilen, die Sie schützen möchten, auf. Sie stellt für den Eingang eine hohe Eingangsimpedanz dar und beeinträchtigt somit nicht den normalen Betrieb. Wenn allerdings bei einer elektrostatischen Entladung der Eingangsstrom drastisch ansteigt, erreicht der TVS-Baustein seine Durchbruchspannung und leitet den Strom zur Masse und damit weg von den empfindlichen Bauteilen, die Sie schützen wollen.

 

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Jedes Mal, wenn etwas an Ihr Gerät angeschlossen wird, könnte es zu einer elektrostatischen Entladung kommen.

 

 

Wie Sie den TVS-Schutz effektiv nutzen

Wenn Sie einen TVS-Baustein zu Ihrem Design hinzufügen, sollten Ihre Leiterbahnen so weit wie möglich geglättet sein, um jegliche, an scharfen Ecken erzeugte und sich über die ganze Platine ausbreitende, elektromagnetische Interferenzen zu minimieren. Eine Empfehlung von Texas Instruments besagt, Biegungen mit großem Radius anstelle von Ecken zu verwenden. Falls Sie das bei Ihnen wegen der verwendeten PCB-Technologie nicht möglich ist, verwenden Sie einen maximalen Biegungswinkel von 45 Grad. Für mich sieht er wie ein Winkel von 135 Grad aus, wo man statt des rechten Winkels die Ecke abschneidet, wie bei einem Stoppschild, und stattdessen zwei sehr stumpfe Winkel erhält. Ich empfehle auch dringend den Abschnitt Technische Ressourcen von Texas Instruments, wenn Sie wirklich in die Tiefe gehen müssen, um ein Problem zu lösen.

 

Blue circuit board design

In der Nähe von ESD-Schutzschaltungen sollten Sie Ihre Leiterbahnen in weiten Winkeln biegen. Schärfere Ecken neigen eher dazu, bei der Ableitung der Spannungsspitze elektromagnetische Interferenzen zu generieren.
 

 

Weil wir gerade beim Thema Leiterbahnen sind: Sie sollten nach Möglichkeit vermeiden, eine Durchkontaktierung zu verwenden, um die ESD-Quelle (Ihren Eingang) mit dem TVS zu verbinden. Bleiben Sie für den TVS bei Leiterbahnen, da Durchkontaktierungen den ESD-Schutz wirklich kompliziert machen können. So nah an einer potenziellen ESD-Quelle würden sich Konsequenzen ergeben, die Sie nicht haben möchten.

Schließlich sollten Sie Ihrer Schutzschaltung auch einen Pufferwiderstand hinzufügen. Sie schalten ihn in Serie zwischen die mögliche ESD-Quelle und die integrierte Schaltung, die Sie schützen möchten. Dies hilft bei der Verringerung der Stromspitze, die die integrierte Schaltung vom Stromteiler am Eingang erreichen wird. Einige, aber durchaus nicht alle TVS-Dioden können sich nach einer massiven Spannungsspitze „zurücksetzen“. Sollten sie von einer Entladung „gebraten“ worden sein, können sie einen Kurzschluss zur Masse bilden und haben damit keinerlei Schutzwirkung mehr. Dioden sind leistungsfähig, aber es ist gut, eine zweite Verteidigungslinie zu haben.

Die Wahl des richtigen TVS für Ihre Anwendung erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Induktivität Ihrer Platine und des Spannungsbereichs, gegen den Sie schützen müssen. Texas Instruments hält die exquisiten Details bereit, wenn Sie zum Starten Ihres Designs bereit sind. Während des Designs können Sie die Arbeit, die Sie bei Ihrem nächsten Produkt wiederholen müssen, durch Verwendung modularer Designs und intern verwalteter Anforderungen minimieren. Ein großartiges Tool dafür ist Altium Vault, das in Verbindung mit der PCB-Software Altium Designer eingesetzt werden kann. Obwohl es keine Bauteile für Sie auswählt (oder Ihre Schaltungen erstellt), gestaltet es den Ablauf Ihres Designs doch erheblich einfacher. Vertreter von Altium können Ihnen helfen, noch heute zu starten!

 

 

 

 

 

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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