ESD-Schutz

Wie sich Wearables vor ESD schützen lassen

| Autor / Redakteur: James Colby * / Hendrik Härter

Die Aspekte bei der Auswahl der TVS-Dioden:

  • Unidirektional oder bidirektional: Unidirektionale TVS-Dioden kommen bei Gleichstromschaltkreise wie Taster und Schalter sowie digitale Schaltungen zum Einsatz. Bidirektionale Dioden werden in Wechselstromkreisen eingesetzt, die jedes Signal mit einer negativen Komponente >0,7 V umfassen können. Dazu zählen Standard-Daten-Ports, Audio-, analoge Video- und HF-Schnittstellen. Entwickler sollten unidirektionale Diodenkonfigurationen wählen, da deren Leistung bei ESD-Entladungen mit negativer Spannung verbessert wird. Während dieser Überspannungen basiert die Klemmspannung auf der Durchlassspannung der Diode, die < -1,0 V beträgt. Bei negativer Entladung bietet eine bidirektionale Diode eine Klemmspannung, die auf der Durchbruchsspannung basiert, die höher ist als die Durchlassspannung der unidirektionalen Diode.
  • Platzierung: Tragbare Designs erfordern auf der Platine keine TVS-Dioden an jedem Pin. Allerdings sollte der Entwickler festlegen, welche Pins Kontakt mit der Außenseite der Anwendung haben. Wird die Kommunikations-/Steuerleitung durch den Benutzer berührt, könnte auf diesem Weg ESD in die integrierte Schaltung eindringen. Entwickler sollten die Pad-Anordnung im Hinblick auf 0201- oder 01005-Bauformen anpassen und die Raumnutzung auf der Platine optimieren.
  • Länge der Leiterbahnen: Zum Schutz der Pins durch eine TVS-Diode kommt es auf die Führung der Leiterbahn von I/O zur Masse an. Im Gegensatz zu Blitzeinschlägen entfaltet ESD keine große Stromstärke über eine längere Zeit. Die Ladung muss aus dem geschützten Stromkreis so schnell wie möglich an die ESD-Referenz weitergeleitet werden. Die Länge, nicht die Breite der Leiterbahn ist der entscheidende Faktor. Sie sollte so kurz wie möglich gehalten werden, um parasitäre Induktivität zu begrenzen. Die Folge wäre ansonsten ein induktives Überschwingen. Neueste Entwicklungen wie μDFN-Gehäuse, die direkt über den Datenleitungen platziert werden, machen zusätzliche Leiterbahnen überflüssig.

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Als Ergänzung zu den Aspekten kommen noch ESD-Entladungsmodelle zum Tragen: HBM (Human Body Model), MM (Machine Model) und CDM (Charged Device Model). Halbleiterhersteller charakterisieren damit die ESD-Robustheit der integrierten Schaltungen, die in tragbaren Geräten oder Wearables zum Einsatz kommen. Allerdings reduzieren viele Hersteller die ESD-Testlevel, um an Chipfläche zu sparen.

Während Hersteller von diesen strikten ESD-Richtlinien profitieren, müssen sich Anwendungsentwickler auf Entwicklungs- und Produktionsebene mit Chips auseinandersetzen, die sehr empfindlich gegenüber ESD sind. Ebenso wenig darf ein Ausfall durch ESD auf Feldebene oder durch den Anwender verursacht werden. Das verwendete Bauteil muss robust genug sein, um gegen eine hohe elektrisch Belastung geschützt zu sein.

Dabei ist für den Betrieb eine niedrige Klemmspannung notwendig, um die empfindliche integrierte Schaltung zu schützen. Bei der Bewertung eines ESD-Schutzbauteils sollte man unbedingt auf den dynamischen Widerstand und die IEC 61000-4-2-Einstufung achten.

Quelle

[1] http://uk.businessinsider.com/the-wearable-computing-market-report-2014-10?r=US (23. Juni 2015)

* James Colby ist Manager Semiconductor Business Development bei Littelfuse.

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