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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Hardware-Designtipps des Monats: Schutzschaltungen


Autor: Luky S. (luky)
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Bei einem ernsthaften Produkt muss jede Leitung nach außen auf irgend eine Art gegen Störungen geschützt werden. Das ist nicht immer ganz einfach, daher folgen hier ein paar bewährte Hinweise. Im nächsten Artikel wird es um EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) gehen.

Zunächst ist es wichtig herauszufinden bzw. festzulegen, gegen welche Art von Störungen (Störspannung, Anstiegszeit, Energiemenge, Häufigkeit und Dauer des Ereignisses, was darf im Fehlerfall passieren, … ) überhaupt geschützt werden soll.

Prinzipiell unterscheidet man ESD (ElektroStatic Discarge), sehr schnelle Ereignisse mit vergleichsweise harmlosen Energiemengen, und EOS (Electrical OverStress). EOS Events können dauerhaft anliegen (z.B. falsche oder verpolte Spannnungsversorgung, Kurzschluss gegen beliebiges Potenzial auf einer Sensorleitung, …) und verursachen oft erheblich mehr Aufwand.

  • Fast alle ICs haben einen integrierten ESD-Schutz nach dem HBM (Human Body Model) und/oder CDM (Charged Device Model). Dieser dient aber prinzipiell nur dazu, dass die Bauteile das Handling in der Produktion (unversorgt!) überstehen.
  • Das Gesamtsystem (in Betrieb) muss wesentlich härtere Prüfungen z.B. nach IEC 61000-4-2 mit ca. 6-fach höheren Energiemengen überstehen und benötigt daher in der Regel zusätzliche Schutzelemente.
  • ESD-Schäden sind kumulativ und führen nur selten zu einem sofortigen Ausfall. Daher merkt man sie sehr oft nicht und glaubt, nicht betroffen zu sein.
  • ESD-Events können die Eigenschaften von (präzisen) Bauteilen (Eingangswiderstand, Leckströme) stark verschlechtern und betreffen nicht „nur“ ICs.
  • Eine der kritischsten Komponenten sind diskrete MOSFETs (sehr dünne und ungeschützte Gateisolation). Also sehr gut aufpassen, vor allem bei der Montage und beim Messen.
  • Gegen ESD helfen oft kleine Keramikkondensatoren direkt am Eingang der Schaltung. Diese sind, richtig platziert und sauber angebunden, ausreichend schnell und bilden einen kapazitiven Spannungsteiler mit der ESD-Kapazität. Normale Kerkos werden diesen Stress aber, wenn überhaupt, nur ein paar mal aushalten (das mag für einen offiziell geforderten Test schon ausreichen…). Daher gibt es für diesen Fall extra konstruierte und spezifizierte ESD-Kerkos von Markenherstellern wie Kemet, AVX und Murata.
  • Ein (zusätzlicher) Serienwiderstand hilft immer, aber auch hier gilt: Normale Bauteile können durch ESD Events beschädigt werden. Aber es gibt extra „Pulse Proof“ Varianten.
  • TVS (Suppressordiode, Transildiode) sind nicht für dauerhafte Überspannungen sondern für kurze Spannungstransienten ausgelegt. Pulskapazität beachten und evtl. vorher einen Leistungswiderstand <10Ohm in Serie einbauen. Es gibt immer einen gewissen Leckstrom (µA-Bereich) und eine parasitäre Kapazität (je größer / „robuster“ die TVS-Diode, desto mehr Kapazität). Es gibt auch bidirektionale (symmetrische) TVS-Dioden. Zenerdioden alleine sind als Schutz gegen schnelle Überspannungspulse zu langsam.
  • Bei länger andauernden EOS (Electrical OverStress) handelt es sich im Prinzip um ein thermisches Problem. Ein wichtiges Schutzelement sind daher (Schmelz)sicherungen, ersatzweise ein dünnes Stück Leiterbahn (sehr ungenau!) als Notsicherung. Aber Achtung: Sicherungen schützen Kabel, nicht Halbleiter (es gibt Ausnahmen).
  • Gegen Verpolung helfen bewährte Schaltungen wie eine Diode oder bei höheren Leistungen ein entsprechend geschalteter MOSFET. Sich nur auf einen Stecker als Verpolschutz verlassen unterschätzt die "Kreativität" des Anwenders.
  • Da das auswechseln von Sicherungen beim Anwender nicht allzu beliebt ist, werden falls möglich gerne PTC-Sicherungen (rückstellende Sicherung, erhältlich unter verschiedenen Markennamen) eingesetzt. Diese haben prinzipbedingt stark umgebungstemperaturabhängige Auslöseströme und sind für höhere Temperaturen (>85°C) nicht geeignet. Die Anforderungen an die Platzierung (weg von Hitzequellen) darf nicht unterschätzt werden.

Betrachten wir abschließend noch die Schaltung aus dem Titelbild. Es handelt sich um eine millionenfach bewährte, sehr robuste Schutzschaltung gegen ESD und EOS für relativ langsame analoge Signale aus billigen Bauteilen.

R1 und C1 bilden die erste Schutzstufe gegen ESD und sollten so groß wie noch mit dem Signal verträglich gewählt werden. Als Minimalwerte schützen 150pF und 330Ohm Serienwiderstand gegen Störungen nach EN61000-4-2 und haben eine Grenzfrequenz von ca. 3MHz. Bei noch schnelleren Signalen sind eine nennenswerte kapazitive Belastung oder Serienwiderstände nicht möglich und man braucht andere Schutzmaßnahmen wie etwa spezielle TVS-Dioden.

R1 dient auch dazu, den Strom durch die Schutzdioden D1 bzw. D2 zu begrenzen und muss so dimensioniert sein, dass die Schutzdiode bei der maximal dauerhaft anliegenden Fehlspannung am Eingang nicht zerstört wird. Die hierfür sehr oft eingesetzte BAV99 Doppeldiode verträgt 200mA. Mit einem 150Ohm Widerstand könnte man also theoretisch bis ca. 30V Fehlspannung schützen. Dabei würden aber 6W Verlustleistung am Widerstand entstehen, was normalerweise nicht akzeptabel ist. Man wird daher in diesem Fall den Widerstandswert erhöhen und eine Balance zwischen möglicherweise unerwünschter Tiefpassfilterwirkung und Verlustleistung finden müssen. Sehr beliebte andere Dioden sind die BAV199 mit ihren deutlich geringeren Leckströmen oder Schottkydioden wie die BAT54. Leider ist deren Leckstrom viel höher als bei Siliziumdioden und zudem noch stark temperaturabhängig. R2 begrenzt den Fehlerstrom in den Mikrocontroller oder ADC und bildet zusammen mit C2 einen weiteren Tiefpassfilter. Der Fehlerstrom im Worst-Case sollte dabei deutlich unter einem mA liegen, bei empfindlichen ICs kann aber auch das zu viel sein. C2 dient darüber hinaus auch als Flywheelkondensator bei SAR-ADCs, aber dazu ein anderes mal mehr. Ein Nachteil dieser Schaltung ist der im Fehlerfall über die Schutzdioden in die Spannungsversorgung injizierte Fehlerstrom. Der Spannungsregler muss damit zurechtkommen oder z.B. durch eine zusätzliche Zenerdiode unterstützt werden. Alternativ kann man auch anstelle der Doppeldiode eine Zenerdiode einsetzen, um die Spannung zu begrenzen. Dabei ist natürlich die Nichtidealität der Zenerdiode zu berücksichtigen.

Natürlich können diese paar Punkte das Thema nicht vollständig betrachten, aber doch hoffentlich ein paar Anregungen geben, um beim nächsten mal ein sauberes Design zu erstellen.


: Bearbeitet durch Admin
Autor: malsehen (Gast)
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Luky S. schrieb:
> Gegen ESD helfen oft kleine Keramikkondensatoren direkt am Eingang der
> Schaltung. Diese sind, richtig platziert und sauber angebunden,
> ausreichend schnell und bilden einen kapazitiven Spannungsteiler mit der
> ESD-Kapazität. Normale Kerkos werden diesen Stress aber, wenn überhaupt,
> nur ein paar mal aushalten (das mag für einen offiziell geforderten Test
> schon ausreichen…). Daher gibt es für diesen Fall extra konstruierte und
> spezifizierte ESD-Kerkos von Markenherstellern wie Kemet, AVX und
> Murata.

???

Autor: Horst (Gast)
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malsehen schrieb:
> ???

Das übliche oberflächliche BlaBla dieser 'Designtipps' hier.
Schön daß hier mal wieder alle Aspekte des Themas abgehandelt wurden und 
nicht nur ein sehr kleiner Bereich des benutzen Oberbegriffs.

Autor: Frage (Gast)
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Und wie schützt man einen Ausgang mit so einem Keramik-Kondensator ?

Autor: Phil (Gast)
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Autor: G. Q. (Gast)
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Es scheint man soll Dickschicht- oder Kohlemischung-Widerstände 
benutzen, denn die schlagen später durch als die dünnen/metallenen 
Widerstände.

Sind eigentlich die gewöhnlichen bedrahteten Dioden und Kondensatoren 
ungeeignet als ESD-Schutz ? Es wird immer erwähnt dass pro Millimeter 
zusätzlichen Weges bis zu 1 Nano-Henry Induktivität dazukommt.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@G. Q. (Gast)

>Es scheint man soll Dickschicht- oder Kohlemischung-Widerstände
>benutzen,

Du meinst Volumenwiderstände. Diese können recht hohe Pulsenergien 
absorbieren.

> denn die schlagen später durch als die dünnen/metallenen
>>Widerstände.

Sie sollten gar nicht durchschlagen, dann dann sind sie kaputt.

>Sind eigentlich die gewöhnlichen bedrahteten Dioden und Kondensatoren
>ungeeignet als ESD-Schutz ?

Sie sind schlechter als SMD-Bauteile. Aber auch vor dem SMD-Zeitalter 
gab es ESD-Schutzschaltungen.

> Es wird immer erwähnt dass pro Millimeter
>zusätzlichen Weges bis zu 1 Nano-Henry Induktivität dazukommt.

Ist auch so.

Autor: G. Q. (Gast)
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Falk B. schrieb:
> Aber auch vor dem SMD-Zeitalter
> gab es ESD-Schutzschaltungen.

Interessant! Wo könnte man die finden ?

Autor: Frank B. (frankman)
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Und wie kann ich mich gegen die Sachen von der EN61000-4-4 schützen?
Hm- und was mach ich bloss bei der EN61000-4-5? Böse ist die, sag ich 
nur...

Und dann wäre da noch die 4-2 und 4-3 und 4-6 und 4-8 und zu guter Letzt 
die 4-9


Huiuiui. Gut das wir das ESD-Thema schon durch haben.....

Autor: Heinz K. (Gast)
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Kann jemand Literatur zu ESD-Design empfehlen ?

Autor: frankman (Gast)
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Heinz K. schrieb:
> Kann jemand Literatur zu ESD-Design empfehlen ?


--> Triologie der Induktivitäten von Würth.
--> EMC for printed circuit boards von Keith Armstrong ( Leider sehr 
schwer zu bekommen. Aber in meinen Augen eins der Besten Bücher zum 
Thema)
-->

Autor: Spannungsteiler (Gast)
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Autor: Alexxx (Gast)
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Zu PTC-/Polyfuse-Sicherungen:
1.) Die lösen sehr bis extrem langsam aus - erst nach dem Dreifachen des
    Sicherungswertes
2.) Die haben einen Maximalstrom! Der darf auch bei Auslösung nicht 
überschritten werden!
3.) Die erlaubte Maximalspannung ist meist sehr gering (<= 30V)

Deshalb sind sie meines Erachtens für ESD & Co. meist völlig ungeeignet.

- Surge und Burst wurden NICHT angesprochen! DAS ist die 
Herausforderung!
- Wie schützt man Betriebsspannungsleitungen? NIX erwähnt.
- Keinerlei Erwähnung von Überspannungsschutzschaltungen!!!
- Keine Erwähnung, dass es Schutz-ICs für Signalleitungen gibt, die die
  seriellen Dioden + eine Z-Diode zu Vcc integriert haben, damit ein
  HV-Impuls nicht Vcc "aufbläst". Dann ist nämlich fast alles kaputt!
- Keinerlei Erwähnung von Funkenstrecken und Varistoren! (Pfhhh...)

So, im Anhang eine Schaltung, die Betriebsspannung bis 28V durchlässt 
UND
Surge-Impulse von 1kV  250A  (8/20µs) so begrenzt, dass die Spannung 
auf maximal 30V begrenzt wird!
(Wichtig: Bei Signal "Betriebsspannung" ist noch eine TVS "5.0SMDJ28CA" 
parallel geschaltet)
Nebenbei macht die Schaltung noch Verpolungs- und Überstrom-Schutz!

Und ja, mal wieder das seichte Niveau - passend zum Forum...

Autor: Frankman (Gast)
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--> ALEX:
Ich persönlich habe mit dem LT4356 bisher zwei mal schlechte Erfahrungen 
gemacht. Bei einem Surge mit 8/20us Flankenform war das der Baustein, 
der immer zuerst kaputt gegangen ist. Ich konnte nur dann ein 
brauchbares Ergebnis erziehlen, wenn in Deinem Fall die L1 ganz am 
Anfang der Schaltung sitzt. Gefolgt von einer 3KW TVS-Diode. Damals 
haben wir sogar den FAE von Linear "einbestellt". Der Chip ist für den 
Surge bei Automotive Impulsen gedacht. Die haben eine viel längere 
Anstiegszeit. Leider heißen diese Impulse im englischen auch "Surge". 
Wie gesagt, die haben mit der EN61000-4-5 nichts gemeinsam.

Autor: Alexxx (Gast)
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==>  Frankman
>> ...mit dem LT4356 bisher zwei mal schlechte Erfahrungen
gemacht.

Wie beschrieben, muss ganz vorne eine fette 5kW-TVS-Diode, die den Burst 
auf deutlich unter 100V begrenzt (hier 70V). Diese ist auch für steilste 
Flanken schnell genug.
PS:
Natürlich sind die MOSFETs zu langsam, dass hinter dem IC keinerlei 
Überspannung mehr auftritt. Aber die Überspannung ist dann nur noch 
einige µs lang. Diese kurze Überspannung kann dann von der Drossel L1 
problemlos geschluckt werden.

Meine / DIESE Schaltung funktioniert jedenfalls perfekt!
Sogar mit den verschärften Prüfbedingungen für 
Betriebsspannungsleitungen.
PPS:
Natürlich muss auch das Layout penibel/richtig gemacht werden, sonst 
machen Übergangswiderstände und parasitäre Induktivitäten alle 
Bemühungen kaputt.
Eine durchgehende Massefläche ist das Mindeste!

Kaum macht man es richtig - und schon geht es!    ;-)

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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MOSFET und langsam? Nein! Die können in unter einer Nanosekunde 
schalten. Was nach außen auftritt, ist die Induktivität der Struktur und 
der kapazitive Durchgriff. In Sperrrichtung eventuell noch zusätzlich 
die Sperrverzögerung der parasitären DS-Diode bei DMOS-Struktur.

Autor: Schein (Gast)
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Ich habe ein wenig gegoogelt und es scheint dass man auch  mit 
bedrahteten ESD-Schutzkomponenten wie Widerständen, Kondensatoren und 
TVS-Dioden usw. etwas ausrichten kann. Doch sind dann die an diesen 
Komponenten abfallenden Spitzenspannungen deutlich höher als wenn deren 
Anschlussbeinchen ganz kurz wären (SMD).


Kann es sein dass ein CMOS-Baustein dennoch geschützt wäre ? Immerhin 
dauert so ein Puls nur wenige Nanosekunden und selbst wenn er bis 100V 
raufgeht wäre es doch möglich dass die Baustein-internen 
ESD-Schutzmassnahmen das überleben ?


Mir schwebt da nämlich für ein Retro-Projekt eine ESD-Schutzschaltung 
aus Ferrit+ESD-Keramikkondensator (pF)+evtl. Reihenwiderstand (Dickfilm) 
vor - alles bedrahtet zur besseren Lötbarkeit. Das wäre dann für die 
Anschlussleitung für einen Tastatur-/Joypadanschluss. Für einen 
VGA-Anschluss müsste man wohl den Widerstand weglassen und wenn der 
Kondensator stört eine bedrahtete TVS-Diode verwenden.

Autor: Schein (Gast)
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Es muss natürlich nF heissen für den Keramikkondensator.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Entweder du hälst dich an die Vorgaben anderer oder testest deinen 
eigenen Entwurf selber. Oder läßt es ganz wie bei den meisten 
Bastlerschaltungen. Letztlich das gleiche Problem wie beim benachbarten 
xDSL-Blitzschutz Projekt. Nur dort ist es 100 langsamer.

Autor: Zapp (Gast)
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Ich bekam fast jedes mal beim Aufstehen vom Bett einen Schlag wenn ich 
das Metallgehäuse des Bluray-Player berührte um die DVD herauszutun. 
Einmal fing er sogar an zu spinnen bzw. sich neu zu starten.

Wenn das mit etwas selbst Gebautem genauso ist dann prost Mahlzeit  :-)

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