Ein neuer Ansatz schützt vor ESD und energiereichen Überspannungen

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Anonim

Die Schutzvorteile einer zweistufigen Vorrichtung zur Unterdrückung von transienten Stromstörern sind herkömmlichen TVS-Technologien überlegen

Da Hochgeschwindigkeits-Datentechnologien immer schneller und kleiner werden, hat die Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) und Blitzstößen zugenommen. Jetzt wird mehr denn je eine robuste und effektive Überspannungsschutzlösung benötigt, die Schäden verhindert, aber den Hochfrequenzbetrieb des Systems nicht behindert. Die neue TCS-Technologie (Transient-Structure-Suppressor) bietet einen brandneuen Ansatz, um diese hohen Anforderungen zu erfüllen.
Einige Schätzungen für die tatsächlichen Kosten von ESD-Schäden in der Elektronikindustrie belaufen sich auf Milliarden von Dollar. Nach Angaben des Insurance Information Institute sind die durch Blitzeinschläge verursachten Schäden in den Vereinigten Staaten im Vergleich zum Vorjahr um 5, 5% gestiegen, was vor allem auf den Anstieg der Anzahl und des Werts von Unterhaltungselektronik zurückzuführen ist. Blitzeinschläge kosteten die Versicherer im Jahr 2011 durchschnittlich 5, 112 US-Dollar pro Schadensfall, verglichen mit 4, 846 US-Dollar im Vorjahr. Aufgrund dieser hohen Kosten und möglichen Schäden an elektronischen Geräten ist es wichtiger denn je, einen ausreichenden Schaltungsschutz für Hochgeschwindigkeits-Datenanwendungen zu haben.
In diesem Artikel wird der herkömmliche einstufige Schutz mit einem spannungsbegrenzenden Gerät, wie z. B. einer Überspannungsschutzdiode (transient voltage suppressor, TVS), beschrieben und die Grenzen dieser Schutzmethode aufgezeigt. Ein neuer Ansatz zum Schaltungsschutz wird vorgestellt, der neue TCS-Technologie einführt. Dieser neue Ansatz verwendet TCS-Vorrichtungen in Reihe mit der geschützten Signalleitung in einer zweistufigen Konfiguration zusammen mit einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung. Die Vorteile dieses neuen zweistufigen Schutzgeräts in Bezug auf Leistung und Schutzwirkung sind den herkömmlichen TVS-Technologien weit überlegen.

Einstufiger Schaltkreisschutz
TVS-Dioden sind elektronische Schutzvorrichtungen, die ESD-Energie an der Schnittstelle eines Designs absorbieren. Die grundlegende Funktionsweise einer TVS-Diode ist in Fig. 1 gezeigt .
Eine TVS-Diode erscheint typischerweise in dem normalen Bereich der Signalarbeitsspannung, die über die Leitung verläuft, als hochohmig. Wenn ein Spannungsstoß an der Schnittstelle einen voreingestellten Grenzwert überschreitet, wird die TVS-Diode leitend und begrenzt so schnell, dass die Spannung über diesen sicheren Pegel ansteigt. Die ideale TVS-Diode erzeugt eine "Mauer" klemmende elektrische Eigenschaft, die keine Störung des normalen Signals verursacht, jedoch verhindert, dass die Spannung an der Schnittstelle ein unsicheres Niveau erreicht.

Abb. 1: Grundlegende Funktionsweise eines idealen spannungsbegrenzenden Gerätes.

In Wirklichkeit unterscheiden sich die Eigenschaften von Halbleiter-TVS-Dioden von denen der vertikalen Charakteristik der idealen Klemmvorrichtung. Obwohl die reale TVS-Diode bei niedrigeren Spannungen einen hohen Widerstand zeigt, beginnt ein endlicher "Leck" -Strom in der Nähe der Durchbruchspannung der Verbindung zu fließen, wenn die Spannung ansteigt. Dies führt zu einer tatsächlichen Klemmcharakteristik, die viel weicher ist als die abrupte vertikale "Backsteinwand" -Charakteristik der idealen Klemme. Je größer das TVS-Gerät ist, desto mehr Leckage kann auftreten, die den Betrieb der Schaltung insbesondere bei höheren Temperaturen negativ beeinflussen kann. Die gewählte Klemmspannung muss höher als ideal sein, um diesen weichen Übergang in das Klemmverhalten zu berücksichtigen. Die tatsächliche Klemmspannung, die für die Schaltung ausgewählt wird, ist ein Kompromiss zwischen einem ausreichend hohen Pegel, der das Signal nicht stört, und einer Spannung, die niedrig genug ist, um den Schutz zu maximieren.
Das einfache Anschließen einer TVS-Diode zwischen einer Schnittstelle und Masse ist nicht immer wirksam, um die Niederspannungsvorrichtung zu schützen, die diese Schnittstelle ansteuert. Zum Beispiel kann bei einem typischen TVS-Gerät die Spitzenspannung während einer Entladung von 11 A 20 V erreichen. Dies ist weit jenseits der absoluten Maximalwerte vieler Niederspannungs-Halbleitertechnologien. Anstatt die Schnittstellenvorrichtung vor dem Stromstoß abzuschirmen, leitet die TVS-Diode einfach einen Teil der Energie ab, wobei ein Teil der Stoßenergie in den geschützten Stromkreis gelangt. Ein hohes Maß an "Durchlass" -Energie, wie es oft genannt wird, kann zu einer Beschädigung der Ausrüstung unter Stoßbedingungen in rauen oder exponierten Umgebungen führen, in denen eine Exposition gegenüber hohen Stoßenergien alltäglich sein kann.

Zweistufiger Schaltungsschutz: Ein neuer Ansatz
Das TCS-Gerät ist ein neuer Schaltungsschutzansatz, der das Schutzniveau bei Verwendung in Serie mit der geschützten Signalleitung in einem zweistufigen Design zusammen mit einem spannungsbegrenzenden Gerät erheblich verbessert. Die Eigenschaften des TCS-Geräts sind in Abb. 2 dargestellt . Wenn der normale Signalstrom niedrig ist, verhält sich das TCS-Gerät wie ein niederohmiger Widerstand. Unter Stoßbedingungen und wenn der Strom über ein sicheres Niveau getrieben wird, geht das TCS-Gerät sehr schnell in einen Strombegrenzungszustand über. Abbildung 3 zeigt die TCS-Gerätekonfiguration und das Schaltungssymbol.

Abb. 2: Aktuelle IV-Kurve eines TCS-Gerätes.

Abb. 3: Implementierung eines TCS-Gerätes in eine Schaltungsschutzlösung.

Das TCS-Gerät fügt eine strombegrenzende Stufe in Reihe mit dem geschützten Gerät hinzu, um die Eigenschaften des spannungsbegrenzenden Geräts zu ergänzen, wodurch Stress reduziert wird. Die Spannung an der Schnittstelle erhöht sich, wenn ein Spannungsstoß auftritt, wodurch Strom durch das TCS-Gerät fließt. Wenn die Stromgrenze erreicht ist, verhindert das TCS-Gerät einen weiteren Anstieg des Stroms, wodurch die Spannung über sich selbst zunehmen kann. Dies stellt eine sehr hohe Blockierbeständigkeit dar, da der Strom auf ein nahezu konstantes Niveau begrenzt ist. Da der Strom begrenzt ist, steigt die Spannung am geschützten Gerät nicht mehr an und wird auf einem sicheren Niveau gehalten. Auf der anderen Seite des TCS-Geräts steigt die Spannung weiter an, bis die Aktivierungsspannung der Spannungsklemmvorrichtung erreicht ist. Sowohl der Beginn der Klemmung als auch die maximale Spannungsklemmspannung kann viel höher sein als bei einem TVS selbst, da das TCS-Gerät diese Spannung blockiert. Die Spitzenklemmspannung kann so hoch wie die maximale Nennspannung von ± 40 V der TCS-Vorrichtung ansteigen, was die Verwendung von einfachen, kostengünstigen Diodenschienenklemmen für die meisten Anwendungen ermöglicht. Die Gesamtleistung der Schutzstufe, wie sie der Fahrer erfährt, ähnelt sehr stark der Funktionsweise der idealen "Mauer" -Zange.
Wie der Name schon sagt, ist das TCS-Gerät direkt analog zur TVS-Diode. Die TVS-Diode begrenzt transiente Spannungen und das TCS-Gerät begrenzt transiente Ströme. Die Eigenschaften des TCS-Bauelements, wie die Punch-Through-TVS-Diode, weisen ebenfalls einen Grad an Rückfaltung auf, was bewirkt, dass der Strom um etwa 30% von seinem Maximalwert abfällt, wenn die Spannung weiter ansteigt. Dieser Foldback verbessert die transiente Belastbarkeit in der TCS-Vorrichtung und minimiert die Belastung in der geschützten Vorrichtung.
Die normale Reaktionszeit zum Erreichen des Begrenzungsvorgangs beträgt weniger als 50 ns. Die Geschwindigkeit des Strombegrenzungsbetriebs des TCS-Geräts ist ideal zum Schutz gegen alle Standard-Blitzstoßwellenformen (1, 2 / 50 μs, 10/1000 μs usw.), einschließlich Hochfrequenz-Avionikanforderungen.
Neue TCS-Geräte bieten eine effektive ESD- und Überspannungsschutzlösung. Im Gegensatz zu herkömmlichen TVS-Dioden geht der verbesserte Schutz und die verbesserte Funktionalität nicht auf Kosten von kapazitiven Geräten, die die Bandbreite verringern und die Datenrate verringern. Die Verwendung eines zweistufigen Schutzdesigns, das die Strombegrenzungseigenschaften eines TCS-Geräts mit den spannungsbegrenzenden Eigenschaften einer TVS-Diode oder Klemmdioden kombiniert, bietet eine robustere und kostengünstigere Schaltungsschutzlösung, ohne die Schaltkreisleistung zu beeinträchtigen.

Von BY ANDY MORRISH, Chief Technology Officer, Halbleiterprodukte, Bourns, www.bourns.com