TVS ESD Schutz

[Christoph N. (chrineuh)]

Hallo,

ich habe mehrere Fragen zur Auswahl von TVS Dioden und dem Thema des ESD 
Schutzes.

Wie ist der richtige Vorgang zur Auswahl der TVS Dioden?
Wenn man z.B. 3.3V Signale hat und diese schützen möchte, verwendet man 
eine Diode Arbeitsspannung von 3,3V für 5V die 5V Arbeitsspannung so 
weit, so gut.

Welche Überschlagsspannung soll verwendet werden?
Wie kommt man auf die Werte? Das Kleist mögliche?

Und welche Spitzenimpuls-Verlustleistung soll man verwenden? Bzw. wie 
berechnet man das richtig.
Welche Annahmewerte sind für die Praxis relevant ( z.B. Spannung vom 
Impuls)

Brauchen TVS Dioden einen Vorwiderstand, damit sie nicht durchbrennen?

Ich würde TVS gerne für Digitale Ein- und Ausgänge verwenden sowie für 
die Hauptversorgung einer Schaltung.
Ist das der richtige weg oder gibt es bessere und einfachere Lösungen?
Gibt es Faustformeln zur Auswahl im Bereich 3,3V bis 24V
Und hat jemand Typen von Dioden, die gut funktionieren und auch von der 
Baugröße gut lötbar sind, aber trdm SMD.

Ich hoffe, mir kann dabei jmd. helfen.
Danke

[Michael B. (laberkopp)]

a) eine TVS muss auf eine Spannung begrenzen, die der Eingang noch 
maximal vertragt. Ist der 3.3V Eingang 5V tolerant und hat ein absolute 
maximum rating von 6V reicht wohl eine 5V1.

b) nichts hilft gegen Alles. Man muss sich überlegen, welche 
Überspannung maximal reinkommt und was die Schaltung aushalten soll, 
z.B. die ESD Normwerte, und dazu den Schutz ausreichend robust auslegen.

c) selten passen TVS als Lösung. Oft ist ein Vorwiderstand vor Eingängen 
mit internen Schutzdioden besser, oder ein Spannungsregler und ein Elko 
der die Energie des Impulses aufnimmt ohne zu sehr in der Spannung 
anzusteigen. Ausgänge sind i.A. niederohmig und müssen nicht geschützt 
weden.

[Max M. (prokrastinator)]

Christoph N. schrieb:
> Brauchen TVS Dioden einen Vorwiderstand, damit sie nicht durchbrennen?
Klar, nur dann brennt eben das durch was die TVS hätte schützen sollen.

Christoph N. schrieb:
> Faustformeln
Schau ins DB.
Schau Dir an welche Vorwärtsspannung bei welchem Ableitstrom.
Was ist zu erwarten, wogegen muss die noch zerstörungsfrei schützen?
Wie lange kann die Diode das bis sie stirbt, kann Deine Schaltung das 
ab?

Fausformeln und Prosa helfen nicht.

[Alex (haidanai)]

Für 3,3V Digitalsignale brauchst du ein Schutz-IC, die zwei serielle 
Dioden + Z-Diode haben, wie sie für USB-ESD-Schutz verwendet werden.
Hilft aber nur gegen ESD. Für Burst, Surge haben die zu wenig Leistung.
Weil.
1.) TVS eine zu hohe Kapazität haben, besonders wenn 0V angelegt wird.
2.) Bei TVS 5V die niedrigste Spannung ist und bei maximalem Strompuls 
locker 8V und mehr stehen bleiben. Da ist deine 3,3V-Logik längst 
hinüber, selbst wenn sie 5V-tolerant wäre.
TVS brauchen keinen Vorwiderstand, die sie sind so gebaut, dass sie bei 
Überlastung einen dauerhaften Kurzschluss machen.
5V-Versorgung damit zu schützen ist auch nicht einfach.
Am Besten zweistufig. 5V-TVS + danach Widerstand und Z-Diode + >= 10µF 
Keramik  Tantal  Polymer.
Aber wie schon geschrieben wurde, musst du wissen gegen was du schützen 
möchtest. Gegen ESD ist einfach und klein. Gegen Blitz kann man machen, 
dann wird es aber aufwendig - je nach empfindlichkeit deiner Schaltung. 
Maximum Rating anschauen.

[Alex (haidanai)]

Für 3,3V-Datenleitungen z.B.: Würth WE-TVS TVS Diode – High Speed Series 
82400102 oder andere Hersteller.

[Christoph N. (chrineuh)]

Hallo

vielen Dank für die Antwort.

Mir geht's da um Basis-Schutz, der für eine EMV notwendig ist.
Die Schaltungen, die ich bis jetzt erstellt habe, funktionieren 
einwandfrei auch ohne den extra ESD Schutz.

Alex schrieb:
> Am Besten zweistufig. 5V-TVS + danach Widerstand und Z-Diode + >= 10µF
> Keramik  Tantal  Polymer.

Hört sich für mich logisch, an, aber ist eben schwer umzusetzen, vor 
allem wenn es in Richtung WS2812 Matrix Panel geht, welche gleich mal 
mehrere Ampere an Strom ziehen ...

Alex schrieb:
> Aber wie schon geschrieben wurde, musst du wissen gegen was du schützen
> möchtest

Da fängt das Ganze an, ich bin leider nur ganz oberflächlich in dem 
Thema drinnen, da ich es zuvor nicht benötigt habe, aufgrund dessen das 
ich auch keine EMV bzw. CE für meine Prototypen benötigt habe.

[Thomas O. (kosmos)]

Eine elektostatische Entladung liegt ja nicht dauerhaft an, deswegen 
legt man die Begrenzung auch nicht daraufhin aus das da 1 Minute einige 
kV anliegen. So einen ESD Impuls kann so einen TVS also schon ab.

Aber 12V auf der 3,3V Leitung kann schon eher und länger auftreten und 
das muss auch längere Zeit überstanden werden bzw. auch mal eine 
Sicherung auslösen.

Also hier ist dann schon ein Begrenzungswiderstand und/oder Sicherung 
angesagt, ich verwende hier gerne eine Drossel mit entsprechendem hohem 
Widerstand die zugleich mit dem Kondensator ein RC Filterglied ergibt 
und danach eben die klassische Z-Diode.

Mittels Kerko, kann man den ESD-Impuls aber so weit belasten das dieser 
bereits unter 100V zusammenbricht.

Schau dir mal an wie das im Automotiv Bereich gemacht wird. Also 
Schaltpläne der Megasquirt Einspritzanlage. Die haben meist ein RC Glied 
an den Eingängen des µCs. So begrenzt der Widerstand der Kerko zieht es 
nochmal weiter runter und den Rest würden die internen Dioden übernehmen 
falls da noch was durchkommen sollte.

[Stefan F. (stefanus)]

Christoph N. schrieb:
> Die Schaltungen, die ich bis jetzt erstellt habe, funktionieren
> einwandfrei auch ohne den extra ESD Schutz.

So ist das, weil die Pins der allermeisten Mikrochips bereits über 
interne Schutzdioden verfügen. Es gibt nur noch wenige Mikrochips, die 
gleich kaputt gehen, wenn man sie direkt anfasst. Dementsprechend ist in 
Consumer Elektronik (die nur 2 Jahre halten soll) oft überhaupt kein 
spezieller ESD Schutz mehr vorhanden.

Bei kleinen MOSFET Transistoren sieht das schon anders aus, die sind 
empfindlicher.

Abstrahlung und Reaktion auf HF Störungen ist hingegen ein Thema, das 
zunehmend wichtiger wird. Wenn man Ein- und Ausgänge mit Tiefpässen 
versieht (IBM verwendete z.B. 33Ω 220pF am Drucker-Port) hat man schon 
viel gewonnen.

Bei PWM Dimmern (und Drehzahlstellern) wird das Thema leider viel zu oft 
vernachlässigt.

Lesenswerter Artikel: 
https://www.st.com/resource/en/application_note/an5612-esd-protection-of-stm32-mcus-and-mpus-stmicroelectronics.pdf