Was ist ESD-Protection für PCB-Bauteile?

ESD-Protection-Maßnahmen beugen Komponentenausfällen bei elektrostatischen Entladungen vor, indem sie Ihre Bauteile vor statischer Elektrizität schützen. Denn ob Sie es wollen oder nicht – Ihre Leiterplatte ist während ihrer Lebensdauer möglicherweise elektrostatischen Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge) ausgesetzt. ESD-Schutz ist besonders wichtig für Schaltkreise, die als Schnittstelle mit der physischen Umgebung gedacht sind. Solche Schaltkreise verfügen ggf. über einen Steckverbinder für die externe Kommunikation, der nicht vor statischer Elektrizität geschützt ist, bzw. sie sind nicht elektrostatisch geschützt, was zu Komponentenausfällen bei elektrostatischen Entladungen führen kann.

Normalerweise sammelt sich während des Betriebs eines Geräts elektrostatische Ladung an, die schließlich zu einem großen ESD-Ereignis führt. Wenn Sie eine ESD-Schutzschaltung strategisch in Ihrem Design platzieren, können Sie den Ausfall empfindlicher Schaltkreise jedoch verhindern. Das Design von ESD-Schutzschaltungen erfolgt im Schaltplan bei der Erstellung der Schaltkreise. Später übertragen Sie diese dann in Ihr Leiterplattenlayout. In diesem Artikel befassen wir uns mit den wichtigsten ESD-Schutzschaltungen und damit, wie Sie sie in Ihr nächstes Design integrieren können.

ESD-Schutzmaßnahmen im Überblick

Beim Design von ESD-Schutzschaltungen geht es zunächst darum, festzustellen, wo elektrostatische Entladungen wichtige Komponenten beeinträchtigen. Anschließend werden bestimmte Unterdrückungsmaßnahmen oder Parallelschaltungen hinzugefügt, damit die ESD-Spannung einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Die einfachste und am weitesten verbreitete Methode für diesen Zweck sind umgekehrt vorgespannte Dioden als Parallelelemente, die auf das Erdungsnetz gerichtet sind; dabei kann es sich um eine Massefläche in der Leiterplatte handeln, aber auch um das Gehäuse in einem geerdeten System.

Gängige Methoden zur Unterdrückung oder Abwehr von schnellen ESD-Ereignissen, langsamen Netzüberspannungen und Transienten aus Schaltvorgängen sind unter anderem:

1. Transientenunterdrückungsdioden (TVS-Dioden)
2. Zener-Dioden in Sperrrichtung zum Klemmen von Transienten
3. Varistoren
4. Sicherungen (oder rücksetzbare Sicherungen)
5. Relais zur Spannungserfassung
6. Gasentladungsröhren
7. Crowbar-Schaltungen
8. MOSFET-basierte Schaltungen

Alle diese Optionen sollen verschiedene Quellen transienter Spannungen abdecken – von ESD über Blitzschlag bis zu großen Transienten aus Schaltvorgängen. Die folgende Tabelle zeigt typische Transientenquellen und ihre Anstiegszeiten:

Wie die Tabelle zeigt, sind ESD-Impulse sehr schnell – entsprechend brauchen ESD-Schutzkomponenten eine sehr kurze Reaktionszeit auf transiente Ereignisse. Nur Varistoren und TVS-Dioden reagieren schnell genug für ESD-Ereignisse und werden daher am häufigsten eingesetzt, wenn ESD eine Rolle spielt. Von beiden sind TVS-Dioden am schnellsten und gelten als universelle ESD-Schutzkomponenten. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit eignen sie sich auch für langsamere Ereignisse wie Überspannungen, Schaltvorgänge und Blitzschlag.

TVS-Dioden und Diodenschaltkreise

TVS-Diodenschutzschaltkreise, eine Form der ESD Diode, gehören zu den gängigsten ESD-Schutzmaßnahmen in nicht-industriellen Niederspannungsumgebungen. Im Vergleich zu anderen ESD-Schutzkomponenten, die in ICs oder Mikrocontrollern für das Energiemanagement eingebettet sind, können TVS-Überspannungsschutzdiodensysteme eine höhere Spannungsunterdrückung bieten und in der Nähe von E/As oder einer beliebigen ESD-Quelle platziert werden, wie im folgenden Beispiel dargestellt.

Nachfolgend sehen Sie eine typische Schaltung mit Spannungsklemmdioden. Die Hauptaufgabe dieser Spannungsklemmschaltung besteht darin, die Ansammlung von Spannungen an der Eingangsklemme des Puffers zu begrenzen. Man beachte, dass dies auch auf den Differenzeingang eines Operationsverstärkers angewendet werden kann. Die Funktionsweise dieser Schaltung ist sehr einfach, und unter normalen Bedingungen sind die Dioden D1 und D2 umgekehrt vorgespannt. Wenn die Spannung am Eingang größer ist als die Versorgungsspannung, wird die Diode D1 in Durchlassrichtung vorgespannt und leitet. Wenn die Spannung am Eingang unter die Masse fällt, wird die Diode D2 in Durchlassrichtung vorgespannt und leitet von der Masse zum Eingang.

Für die obige Schaltung können einfache Dioden mit hoher Durchbruchsspannung in umgekehrter Richtung (z. B. Zener-Diode) oder TVS-Dioden verwendet werden, die parallel oder antiseriell angeordnet sind. Die wichtigsten Faktoren zur Bestimmung des Diodentyps sind die Durchbruchspannung und der Durchlasstrom.

TVS-Dioden werden in zwei Typen eingeteilt. Beide Arten von TVS-Dioden fungieren als Öffnungen bei normalen Betriebsbedingungen und als Kurzschlüsse zur Masse, wenn eine ESD-Überspannung auftritt. 

Unidirektionale TVS-Dioden

Eine unidirektionale TVS-Überspannungsdiode für den ESD-Schutz ist nachfolgend abgebildet. Beachten Sie, dass eine TVS-Diode eine einfache Zener-Diode sein kann, oder aber ein Bauteil, das speziell als TVS-Diode vermarktet wird (z. B. die Transzorb-Serie von Vishay, siehe unten), wie im folgenden Schaltplan dargestellt.

Während des positiven Zyklus eines ESD-Ereignisses wird diese Diode umgekehrt vorgespannt und arbeitet im Avalanche-Modus, was zu einem ESD-Strom vom Eingang zur Masse führt. Während eines negativen Zyklus wird diese TVS-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und leitet den ESD-Strom. Indem sie je nach Polarität den Fluss eines ESD-Stroms entweder verhindert oder zulässt, schützt eine unidirektionale TVS-Diode den Schaltkreis somit vor ESD.

Bidirektionale TVS-Dioden

Der nachstehende Schaltplan zeigt die typische Verwendung von bidirektionalen TVS-Überspannungsdioden zum Schutz ESD-empfindlicher Komponenten. Beachten Sie, dass es sich hier um eine einfache antiserielle Anordnung von Zener-Dioden handelt. Wenn eine zusätzliche Strombegrenzung erforderlich ist, kann ein zusätzlicher Widerstand hinzugefügt werden.

Während des positiven Zyklus eines transienten ESD-Ereignisses ist eine der beiden Dioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die andere in umgekehrter Richtung, d. h. eine Diode leitet aufgrund ihrer Vorwärtsspannung, während die andere im Avalanche-Modus arbeitet. Auf diese Weise bilden beide Dioden einen Pfad, der von einer ESD-Quelle zur Masse führt. Während eines negativen ESD-Zyklus wechseln die Dioden jeweils ihren Modus, wodurch erneut ein Pfad erstellt wird und der Schaltkreis geschützt bleibt. Diese Schaltung empfiehlt sich, wenn Sie nicht unbedingt wissen, welche Polarität ein ESD-Ereignis aus Sicht der System-E/A haben wird.

Andere ESD-Schutzkomponenten

Es gibt verschiedene andere ESD-Schutzkomponenten, wie z. B. Mehrschichtvaristoren, Gasentladungsröhren und Schutzkomponenten auf Polymerbasis. ESD-Schutzkomponenten werden verwendet, um ESD-Spannungen unter einen bestimmten Grenzwert zu bringen, sodass ein Schaltkreis oder eine Gruppe von Komponenten geschützt ist. Eine Schutzkomponente oder -schaltung wird parallel zu einer gefährdeten Leitung geschaltet. Sie hält die ESD-Spannung unter einer bestimmten Grenze und leitet den Haupt-ESD-Strom zur Masse ab. Diese Komponenten haben oft eine zugehörige Anwendungsschaltung, die Sie in dem Datenblatt finden. Diese Beispielschaltungen können etwa eine ESD Diode wie eine TVS-Diode enthalten, um zusätzlichen ESD-Schutz bei niedrigen Spannungen zu bieten.

Beispiel: Gasentladungsrohr + TVS-Diode

Eine Strategie für hohe transiente Spannungen besteht darin, eine Gasentladungsröhre parallel zu einer TVS-Diode, einer Reiheninduktivität und einer Sicherung einzusetzen. Diese Anordnung bewältigt schnelle ESD-Ereignisse, langsame Überspannungen, Schaltvorgänge und sogar Blitzschlag. Eine zusätzliche Sicherung dient dem Überstromschutz. Gasentladungsröhren sind für große transiente Spannungen gedacht, die nicht von ESD-Ereignissen stammen, sondern aus langsameren Quellen wie Netzüberspannungen, Blitzschlag und Schaltvorgängen.

Induktivität und TVS-Diode wirken wie eine Tiefpass-RL-Schaltung, die zusätzlich filtert und die Anstiegszeit des ESD-Impulses verlangsamt, bevor er die geschützte Schaltung erreicht. Sobald die TVS-Diode leitend wird, leitet die Schaltung den vom ESD-Impuls gelieferten Strom ab, sodass er die geschützte Schaltung nicht beeinträchtigt. Die Gasentladungsröhre bietet zusätzlichen Schutz, falls auch das Risiko von Netzüberspannungen besteht – etwa durch eine ungeregelte Versorgung oder das AC-Netz.

ESD-Protection in Ihrem PCB-Layout

Auch wenn Sie während der Schaltplanerfassung ESD-Schutzschaltungen in Ihr Design einfügen, ist es dennoch wichtig, bestimmte intelligente Layout-Entscheidungen zu treffen, um die ESD Protection für empfindliche Schaltungen im Leiterplattenlayout sicherzustellen. Der Zweck des ESD-Schutzes besteht darin, die Zuverlässigkeit des Schaltkreises zu erhöhen und gleichzeitig die späteren Kosten für die Fehlersuche und -behebung zu reduzieren.

• Verwenden Sie eine Massefläche im Leiterplattenaufbau: Die Massefläche innerhalb der Leiterplatte bietet einen großen geerdeten Leiter, der alle durch ein ESD-Ereignis induzierten Ströme aufnehmen kann. Sie bietet außerdem viele weitere Vorteile, wie z. B. die Beseitigung von Masseschleifen, die Festlegung einer klaren Impedanz und die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen.
• Verkürzen Sie lange Leiterbahnen: Wenn Leiterbahnen von der Masse getrennt und zu lang sind, können sie eine hohe Induktivität aufweisen. Sie können elektromagnetische Störungen nicht nur leicht empfangen, sondern auch eine transiente Oszillation aufweisen, wenn eine Hochspannungsspitze durch die Leiterbahn geht. Diese Oszillation kann dazu führen, dass die TVS-Diode oder ein anderes Schutzelement nicht korrekt funktioniert.
• Verlegen Sie empfindliche Leiterbahnen oder Bauteile nicht in der Nähe von Hochspannungsnetzen: Es ist ein relativ einfaches Konzept, dass die Wahrscheinlichkeit eines ESD-Ereignisses größer ist, wenn ein Bauteil näher an einem Hochspannungsnetz oder -bauteil liegt. Komponenten, die ein großes ESD-Ereignis oder einen Stromstoß nicht überstehen können, sollten von solchen Spannungsquellen ferngehalten werden. Eine geerdete Abschirmung um ESD-empfindliche Bauteile bietet zusätzlichen Schutz.
• Nutzen Sie Ihr Gehäuse: Wenn Sie ein geerdetes Metallgehäuse verwenden, können Sie ausnutzen, dass dieses als Schutzmasse fungieren kann. Eine Möglichkeit, zusätzliche ESD Protection zu bieten, ist eine niederohmige Verbindung von einem ESD-empfindlichen Bereich des Designs (z. B. einem Steckverbinder) zurück zum Gehäuse.

Noch ein Wort zum vorherigen Punkt: Es ist schwierig, eine Balance zu finden zwischen der Notwendigkeit, Rauschen im Gleichtaktmodus zu verhindern, und der Notwendigkeit, sich gegen ESD zu schützen. Nicht alle Designs benötigen ESD Protection in Form einer Verbindung zum Gehäuse. Berücksichtigen Sie die Umgebung, in der das Design eingesetzt wird, sowie das Ausmaß der elektrostatischen Entladungen, die im Bauteil induziert werden könnten.

Für Baugruppen mit externen Verbindungen zur Kommunikation mit der Außenwelt ist es sehr wichtig, dass sie vor ESD geschützt sind. Obwohl einige integrierte Schaltkreise einen ESD-Schutz auf dem Chip enthalten, wird dennoch empfohlen, ESD-Schutzschaltungen strategisch zu platzieren, wenn in der Betriebsumgebung des Geräts das Risiko starker ESD vorliegt. Dies kann erforderlich sein, damit Ihr Gerät die FCC- oder CE-Zertifizierung erhält und Sie es auf dem freien Markt verkaufen können.

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