brauchbares SMD ESD-Schutzelement

[Thomas Lamron]

Hallo!

Ich muss einen recht empfindlichen IC-Ausgang, der nicht kapazitiv
belastet werden darf (max. 5nF), vor ESD-Entladungen schützen (vor allem
Kontaktentladungen). Die TVS-Elemente von AVX (Transguard, Staticguard,
etc.) sind viel zu langsam: Wirkung gleich Null. Eine schnelle Z-Diode
(ZMM24) brachte hingegen eine deutliche Verbesserung. Ebenso ein
Metalloxidvaristor (Ergebnisse wie bei ZMM24). Leider reicht es damit
nicht ganz.

Frage: Welches Schutzelement könnt ihr mir empfehlen? Was haltet ihr von
Vishay SMF24A und Vishay GSOT24C ? Sind die vielleicht schneller?



MFG Thomas

 

[Rafael Deliano]

* in irgendeiner alten BurrBrown-ApplicationNote wird ein JFet
als low-leakage Diode empfohlen. Einige JFets haben Spec
für Strom ins Gate. Kann ich bei Bedarf scannen, nur eine
Seite.
Alllerdings für ESD wohl nicht ideal.
* in englischer Newsgroup wurde für niedrige Kapazität in Serie
zur Z-Diode ( P6KExx ) eine Diode empfohlen. Solang die in
Sperrichtung ist isoliert sie angeblich die Kapazität der
Z-Diode.

MfG JRD

 

[Jorgen Lund-Nielsen]

Rafael Deliano schrieb:

* in irgendeiner alten BurrBrown-ApplicationNote wird ein JFet
als low-leakage Diode empfohlen. Einige JFets haben Spec
für Strom ins Gate. Kann ich bei Bedarf scannen, nur eine
Seite.
Alllerdings für ESD wohl nicht ideal.
* in englischer Newsgroup wurde für niedrige Kapazität in Serie
zur Z-Diode ( P6KExx ) eine Diode empfohlen. Solang die in
Sperrichtung ist isoliert sie angeblich die Kapazität der
Z-Diode.

Dazu müsste man zur besten Funktion IMHO die Z-Diode vorspannen,
dann gehts, da dann die normale Diode im Normalfall immer Sperrt
was sonst nicht unbedingt gegeben wäre.

Jorgen

 

[Thomas Lamron]

Rafael Deliano schrieb:

* in irgendeiner alten BurrBrown-ApplicationNote wird ein JFet
als low-leakage Diode empfohlen. Einige JFets haben Spec
für Strom ins Gate. Kann ich bei Bedarf scannen, nur eine
Seite.

Wie muss ich die schalten? Übrigens:
Die (komplementäre) Ausgangsstufe des IC besteht aus JFET.

Wichtig scheint nur eine Reaktionszeit des Schutzelements von einigen
Pikosekunden zu sein. Wenn ich der Z-Diode (ZMM24) einen
4,7nF-Kondensator parallel schalte, übersteht das IC sogar 10kV
Kontaktentladungen aus 330pF. 10nF brachten keine Verbesserung mehr, und
4,7nF parallel zum Metalloxidvaristor brachten maximal 7kV. Also ist die
Lösung mit Z-Diode bis jetzt mein Favorit.

Ach ja: Ohne Schutz raucht das IC bei durchschnittlich 3kV ab.

Gibt es eigentlich Z-Dioden auf Schottky-Basis? Und gibt es bei SMD
Z-Dioden größere Geschwindigkeitsunterschiede? Letzteres konnte ich
leider noch nicht testen.

Gruß,
Mr. Thomas Kilovolt

 

[Rafael Deliano]

JFet als low-leakage Diode
Wie muss ich die schalten?
Drain und Source zusammenschalten, Gate ist das andere Ende.

Bezüglich Anode/Kathode wird man wohl davon abhängen ob man
einen P-Fet oder einen N-Fet nimmt. Einfach ausprobieren.
Der Nachteil ist wohlbekannt: das Teil hat ca. 2V
Durchlaßspannung. D.h. Serienwiderstand weiterhin erwünscht.
Es hat auch Kapazität. Aber Leckstrom ist eben gut.

Die ... Ausgangsstufe des IC besteht aus JFET.
Eher die Eingangsstufe. Es ist wohl ein OP.

Wenn man die Schaltung auf invertierende Betriebsart bringt
und den +Pin dann auf echten GND kann man den -Pin simpel
mit 2 antiparallelen Dioden gegen Masse schützen.
Wenn man wegen Eingangswiderstand nichtinvertierende Betriebsart
hat: eventuell kann CMOS-Op mit sehr geringer Eingangskapazität
günstiger sein, weil man den Widerstand vor dem Eingang erhöhen
kann.
Zum Widerstand vor dem Eingang: Bauform 0207 hält nur 250V aus,
man braucht eventuell grössere Bauform. Kohlmassewiderstände sind
gut, weil sie keine Wendel haben die durchschlägt. Sie rauschen
zwar, aber nur wenn Strom durchfliesst. Sie sind allerdings
inzwischen kaum noch beschaffbar.

Andere Maßnahmen: sparkgap im Layout als Grobschutz. Bzw. echte
von Siemens. Sind kapazitätsärmer als Varistoren, nur eben erst
für höhere Spannungen. In der guten alten Zeit gabs radioaktiv
vorgespannte.

Z-Diode ( MiniMelf ) passend induktionsarm verdrahten, keine
Stichleitungen.
Vermutlich wären in einem Layout auch irgendwelche induktiven
mäanderförmigen Leiterbahnen als Serienimpedanz möglich
die nicht durchschlagen.

Gibt es eigentlich Z-Dioden auf Schottky-Basis?
Es gibt auch keine Schottky-Transistoren ...

Und das obwohl man sie in TTL-Datenbüchern abgebildet findet.

MfG JRD

 

[Oliver Betz]

Rafael Deliano <Rafael_Deliano@t-online.de> schrieb:

[...]

Andere Maßnahmen: sparkgap im Layout als Grobschutz. Bzw. echte

das Thema ging unlängst auch durch die FED-Mailingliste...

Hast Du schon einmal die Wirksamkeit einer Funkenstrecke nachweisen
können? Ich noch nicht...

Es kommt wohl darauf an, was man braucht. Die Funkenstrecke mag wohl
etwas von der Energie aufnehmen, aber gegen Latch-Up durch dV/dT half
sie sie mir gar nicht - exakt gleiches Verhalten mit und ohne
Funkenstrecke, obwohl der Funke dort übersprang.

Wenigstens kosten sie nichts.

Servus

Oliver
--
Oliver Betz, Muenchen

 

[Ingolf Pohl]

Oliver Betz wrote:

Wenigstens kosten sie nichts.

Na, na, na! Sie müssen layoutet werden, evt. berechnet und getestet werden
und ausserdem brauchen sie Platz und "Brettraum ist eine Prämie"...

Oder wie war das noch als ich neulich so'n ESD-Schutzdioden-Array suchte und
bei Philips auf der Seite der BZA100 (18-fach ESD-Dioden-Array) landete und
zum Spaß mal die Translate-Funktion zum Übersetzen ins Deutsche nutzte:

Da wird aus

"18-fold monolitic transient voltage suppressor. Its 18-fold junction common
anode design protects 18 separate lines using only one package. This device
is ideal for situations where board space is a premium."

dann folgendes Gebrabbel:

"monolitic vorübergehender Entstörer der Spannung 18-fold. Sein allgemeines
Anodendesign der Verzweigung 18-fold schützt 18 verschiedene Linien mit nur
einem Paket. Diese Vorrichtung ist für Situationen ideal, in denen
Brettraum eine Prämie ist."

In dem Sinne, "Brettraum ist eine Prämie" und daher sind die Funkenstrecken
nicht umsonst ;-)

Und wie ist das mit den nicht immer konstanten Umweltparametern, hat das
nicht Einfluss auf die Zündspannung der Funkenstrecke? bekommt man das so
genau hin?


Gruß aus Kiel
Ingolf

PS: Zum Nachmachen der Link:
http://www.semiconductors.philips.com/pip/BZA100.html

 

[Thomas Lamron]

Rafael Deliano schrieb:

Die ... Ausgangsstufe des IC besteht aus JFET.

Eher die Eingangsstufe. Es ist wohl ein OP.

Nein, ist kein OP.

Andere Maßnahmen: sparkgap im Layout als Grobschutz.

Das ich da nicht gleich drauf gekommen bin. Werde diesen Vorschlag so
schnell wie möglich austesten, danke dafür Wie war das noch: 30kV
überspringen ca. 10mm Luft...

Bzw. echte

von Siemens. Sind kapazitätsärmer als Varistoren, nur eben erst
für höhere Spannungen. In der guten alten Zeit gabs radioaktiv
vorgespannte.

Z-Diode ( MiniMelf ) passend induktionsarm verdrahten, keine
Stichleitungen.

Glasgehäuse sind bei uns verpöhnt, seit es einmal größere Probleme bei
Vibrationstests gab:-( Habe noch welche mit Keramikgehäuse bei Conrad
gefunden: BZX 284C24V XM im SOD110-Gehäuse für max. 400mW.

Vermutlich wären in einem Layout auch irgendwelche induktiven
mäanderförmigen Leiterbahnen als Serienimpedanz möglich
die nicht durchschlagen.


Gibt es eigentlich Z-Dioden auf Schottky-Basis?

Es gibt auch keine Schottky-Transistoren ...
Und das obwohl man sie in TTL-Datenbüchern abgebildet findet.

Schade, die Z-Dioden wären dann aber schön schnell;-) Oder?

Gruß, Thomas

 

[Martin Schönegg]

"Rafael Deliano" <Rafael_Deliano@t-online.de> schrieb im Newsbeitrag
news:40351C4C.C7482B78@t-online.de...

* in irgendeiner alten BurrBrown-ApplicationNote wird ein JFet
als low-leakage Diode empfohlen. Einige JFets haben Spec
für Strom ins Gate. Kann ich bei Bedarf scannen, nur eine
Seite.

Hallo Rafael,
das würde mich auf alle Fälle interessieren, sowohl das BB-AN alsauch der
J-Fet-Typ zum Datenblatt. Im Elektronikkompendium wird die Variante mit der
Basis-Kollektordiode beschrieben. Im Prinzip einleuchtend, aber auch
nirgends spezifiziert.

@Thomas: Schau doch mal nach
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/ovprot.htm

Alllerdings für ESD wohl nicht ideal.

Warum eigentlich nicht?

* in englischer Newsgroup wurde für niedrige Kapazität in Serie
zur Z-Diode ( P6KExx ) eine Diode empfohlen. Solang die in
Sperrichtung ist isoliert sie angeblich die Kapazität der
Z-Diode.

Das habe ich auch schon gelesen, frag mich nicht mehr bei welchem
Hersteller, aber die boten sowas in einem Gehäuse integriert an, mit
beeindruckend geringen Kapazitätswerten


Martin

 

[Ingolf Pohl]

Thomas Lamron wrote:

Wichtig scheint nur eine Reaktionszeit des Schutzelements von einigen
Pikosekunden zu sein.

Gegen diese schnellen Anstiege nimmt man doch gerne noch 'ne
Serien-Induktivität zusammen mit der Kapazität des Ausgangs und dem
Innenwiderstand des Ausgangs sollte das so'n Impuls flacher machen und dem
Schutzelement die nötige Reaktionszeit bringen.

Ok, 0603-Spulen sind dafür zu kurz, da springen die 30kV wohl drüber ;-)

Was'n das überhaupt für'n IC-Ausgang?
Muß denn da überhaupt die Möglichkeit zur Einkopplung eines 30kV Impulses
gegeben sein? Ich kenne da noch so Tricks, dass man an Steckverbindern
usw.'ne Art Fangleitung/Blitzableiter ranbaut. Wenn man dann mit der
ESD-Pistole die Buchse beschießt, dann springt der Funke immer zur
Fangleitung über. Schönes Beispel sind die ganzen Blechlaschen bei den
Flash-Card Sockeln oder voreilende Massekontakte, so dass zuerst die Ladung
nach Masse überspringen muß.

Gruß aus Kiel
Ing.olf

 

[Nexgo News]

Hey,

es gibt TVS-Elemente auf Polymerbasis mit einer Kapazität von <1 pF (fast zu
gut um wahr zu sein). Die lassen vom ESD-Impuls zwar noch so
größenordnungsmäßig 40V übrig, aber die sollten für ein IC ultrakurzzeitig
kein Problem mehr sein.

Eine Quelle ist z.B. Cooper Electronics (www.cooperet.com). Siehe dort unter
SurgX.
oder MicroSemi (www.microsemi.com) Dort nach FemtoFarad suchen lassen.

Gruß Andreas

 

[Rafael Deliano]

BurrBrown-ApplicationNote
Googlen unter: "Diode-connected Fet Protects OP AMPs"

AB-064

Alllerdings für ESD wohl nicht ideal.
Warum eigentlich nicht?
Kapazität zu hoch.

in Serie zur Z-Diode ... eine Diode empfohlen.
frag mich nicht mehr bei welchem Hersteller
Wurde von Motorola glaube ich ehedem als ICs teuer

waren als besonders stabile Referenzspannungsquelle
zwecks Temperatukompensation in einem Gehäuse
verpackt geliefert. Für ESD dürften diese Teile
ungeeignet sein.

MfG JRD

 

[Rafael Deliano]

Andere Maßnahmen: sparkgap im Layout als Grobschutz.
Hast Du schon einmal die Wirksamkeit einer Funkenstrecke nachweisen
können?
Einstweilen keine Zeit dafür gefunden.

Ich noch nicht...
Die engere Frage ist: wie viel schlechter ist die selbstgebaute

gegenüber der als Bauteil kaufbaren ? Sowie: wie ist das optimale
Layoutpattern ?
Die Frage im weiteren Sinne ist: hilft die Schaltungsvariante im
konkreten Gerät.
Gegen Spikes die über zwei Telefonleitungen kommen wirken die
Siemens-Teile in z.B. ISDN-Endgeräten schon. Würde ich also auch
der layouteten was zutrauen.
Bei ESD-Spike gegen "Masse" kanns anders aussehen. Bei Funkenstörung
kommt man mit Parallelteil wie Kerko ja meist auch nicht weit, weil
GND-Leiterbahn keine echte Masse ist. Längsteil wie Induktivität braucht
keine Masse und wirkt deshalb.
D.h. wenn letztlich die Impedanz der GND-Leiterbahn gegen Masse fast
genauso groß wie die der Signalleiterbahn ist, der Funke aber noch
1kV zusätzlich braucht bis er bei der Funkenstecke überspringt, dann s
pringt er eh nicht.

MfG JRD

 

[Thomas Lamron]

Nexgo News schrieb:

Hey,

es gibt TVS-Elemente auf Polymerbasis mit einer Kapazität von <1 pF (fast zu
gut um wahr zu sein). Die lassen vom ESD-Impuls zwar noch so
größenordnungsmäßig 40V übrig,

Sicher, dass die so schnell sind? Die TVS-Elemente von AVX brachten wie
gesagt gar nichts. Interessant: Die Schaltzeit ist angeblich <0.9ns

aber die sollten für ein IC ultrakurzzeitig

kein Problem mehr sein.

Eine Quelle ist z.B. Cooper Electronics (www.cooperet.com). Siehe dort unter
SurgX.
oder MicroSemi (www.microsemi.com) Dort nach FemtoFarad suchen lassen.

Was kosten die eigentlich (so 4000 Stück etwa)?

Gruß, Thomas

 

[Thomas Lamron]

Rafael Deliano schrieb:

Andere Maßnahmen: sparkgap im Layout als Grobschutz.

Hast Du schon einmal die Wirksamkeit einer Funkenstrecke nachweisen
können?

Einstweilen keine Zeit dafür gefunden.


Ich noch nicht...

Die engere Frage ist: wie viel schlechter ist die selbstgebaute
gegenüber der als Bauteil kaufbaren ? Sowie: wie ist das optimale
Layoutpattern ?

Ich würde mal sagen:

Eine zum IC-Ausgang (oder auch Eingang) parallele Leiterbahn
(Kurzschlussbrücke) möglichst in Nähe der ESD-Eintrittsstelle, die in
der Mitte layoutmäßig aufgetrennt wird. Das eine Ende sollte rund*, das
andere spitz* (45°) zulaufen, wobei der Abstand zwischen den Enden 0,2
bis 0,5mm beträgt. Lötstopplack ist hier natürlich tabu.
Da die ESD-Entladung mal positiv und mal negativ sein kann, das Gleiche
dann noch einmal (jedoch antiparallel) hinzufügen.

*Annahme hierbei ist, dass ein Funke am liebsten aus einer rundlichen
Elektrode aus- und in eine spitz zulaufende Elektrode hineintritt.
Springt der ESD-Funke eigentlich von + nach - oder umgekehrt oder
unterschiedlich über (technische Stromrichtung angenommen)?


P.S.: Wir pfuschen uns hier was zurecht, das ist wirklich sagenhaft;-)

Gruß, Thomas

 

[Rafael Deliano]

Das eine Ende sollte rund*, das andere spitz* (45°) zulaufen, ...
*Annahme hierbei ist, dass ein Funke am liebsten aus einer rundlichen
Elektrode aus- und in eine spitz zulaufende Elektrode hineintritt.
Das ( ältere ) Symbol für eine Funktenstrecke sind zwei einander

gegenüberstehende Spitzen. Die Feldstärke ist an der Spitze einer
Spitze typisch am höchsten. An dem Punkt also am sprungwilligsten.

Da die ESD-Entladung mal positiv und mal negativ sein kann, das Gleiche
dann noch einmal (jedoch antiparallel) hinzufügen.
Dann wären Überspannungsableiter a la Siemens polungsabhängig. Sind

sie nicht. Tatsächlich haben die intern relativ plane Elektroden
( damit die vielen Amperes die hüpfen wollen Platz haben ).
Im Katalog von 1984 hatte Siemens Typen ab 90V+/-25%.

Springt der ESD-Funke eigentlich von + nach - oder umgekehrt oder
unterschiedlich über (technische Stromrichtung angenommen)?
Formal in beide Richtungen.

MfG JRD

 

[Thomas Lamron]

Rafael Deliano schrieb:

Das eine Ende sollte rund*, das andere spitz* (45°) zulaufen, ...
*Annahme hierbei ist, dass ein Funke am liebsten aus einer rundlichen
Elektrode aus- und in eine spitz zulaufende Elektrode hineintritt.

Rund ist natürlich Schwachsinn.

Das ( ältere ) Symbol für eine Funktenstrecke sind zwei einander
gegenüberstehende Spitzen. Die Feldstärke ist an der Spitze einer
Spitze typisch am höchsten. An dem Punkt also am sprungwilligsten.

Genau, hatte diese Tatsache noch einmal nachgeschlagen und wollte meinen

Vorschlag korrigieren (nix mit antiparallel und abgerundet). Etwas zu
spät;-)

Springt der ESD-Funke eigentlich von + nach - oder umgekehrt oder
unterschiedlich über (technische Stromrichtung angenommen)?

Formal in beide Richtungen.

Kann mir jetzt auch ziemlich egal sein:


S T E C K E R
| | | |
| |_ _| |
| _> <_ |
| | | |
| | | |
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| | | |
| | | |
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I C G N D


Gruß, Thomas

 

[Oliver Betz]

Thomas Lamron <bitte_nospam@t-online.de> schrieb:

[Ausgangsstufe des IC besteht aus JFET, ist kein OP]

Was denn dann?

Etwas mehr Information wäre nützlich. Z.B. auch Strom, Spannung, max.
zumutpare Serienimpedanz, max. zumutbarer Ableitstrom und
-kapazität...

Was war die Ausfallursache: primär durch die Energie der Entladung
(also auch im ausgeschalteten Zustand) oder sekundär durch Überhitzung
wegen Latch-Up?

Andere Maßnahmen: sparkgap im Layout als Grobschutz.

Das ich da nicht gleich drauf gekommen bin. Werde diesen Vorschlag so
schnell wie möglich austesten, danke dafür Wie war das noch: 30kV
überspringen ca. 10mm Luft...

http://www.cirris.com/testing/voltage/arc.html hat einen
Online-Rechner. Der verwendet diese "empirisch ermittelte" Formel für
einen Spitze->Fläche Überschlag:

d = (-7,6E-13*U^3+1,5E-8*U^2+1,5-4*U-0,036)mm (mit U: Gleichspannung
in V)

Das resultiert in Luftstrecken von z.B. 0,15mm bei 1200V und 0,2mm bei
1500V.

Ich halte diese Formel für unsinnig genau, der kubische Term ist
sicherlich überflüssig, weil in der Realität größere Schwankungen
auftreten. Die Formel für Fläche-Fläche Überschläge spare ich mir
deshalb gleich ganz.

http://www.airborn.com.au/method/sparkgap.html schreibt: "Breakdown of
small sparkgaps is approx V=(3000pd+1350) where p is pressure in
atmospheres (1) and d is distance in millimetres." und kommt damit auf
ähnliche Werte.

Aber: niemand sagt, wie _schnell_ die Funkenstrecke anspricht. Da
liegt IMHO eines der Hauptprobleme.

Selbst mit spitzen 0,2mm Funkenstrecken gegen eine Massefläche hatte
ich keinen Erfolg.

Wie gesagt: Energie nimmt so eine Funkenstrecke auf, aber gegen
Latch-Up hilft's nicht unbedingt.

Bzw. echte
von Siemens. Sind kapazitätsärmer als Varistoren, nur eben erst
für höhere Spannungen. In der guten alten Zeit gabs radioaktiv
vorgespannte.

Rafael: waren die "Siemens Typen ab 90V+/-25%" aus dem Katalog von
1984 solche radioaktiv unterstützten Typen? Ich kann mir nicht
vorstellen, wie man ansonsten so kleine und genau definierte
Spannungen erreicht.

[...]

Gibt es eigentlich Z-Dioden auf Schottky-Basis?

kann es nicht geben.

Es gibt auch keine Schottky-Transistoren ...
Und das obwohl man sie in TTL-Datenbüchern abgebildet findet.

Schade, die Z-Dioden wären dann aber schön schnell;-) Oder?

Der Zener-Effekt _ist_ extrem schnell.

Servus

Oliver
--
Oliver Betz, Muenchen

 

[Martin Schönegg]

BurrBrown-ApplicationNote
Googlen unter: "Diode-connected Fet Protects OP AMPs"
AB-064

Vielen Dank...

Alllerdings für ESD wohl nicht ideal.
Warum eigentlich nicht?
Kapazität zu hoch.

Was hat die Kapazität damit am Hut? mit ner SST113 liegst Du bei 2-3 pF Oder
war es eine ander JFET,

in Serie zur Z-Diode ... eine Diode empfohlen.
frag mich nicht mehr bei welchem Hersteller
Wurde von Motorola glaube ich ehedem als ICs teuer
waren als besonders stabile Referenzspannungsquelle
zwecks Temperatukompensation in einem Gehäuse
verpackt geliefert. Für ESD dürften diese Teile
ungeeignet sein.

Ne ne, das waren Suppressordioden, ganz sicher.

Martin

 

[Rafael Deliano]

waren die "Siemens Typen ab 90V+/-25%" aus dem Katalog von
1984 solche radioaktiv unterstützten Typen?
Siemens hatte damals mit und ohne radioaktiver Zündhilfe,

aber kleine Spannungen sind natürlich alle mit.
( X am Ende der Bauteilbezeichnung = keine Zündhilfe ).
Die patentierte Zündhilfe von Siemens ist seitlich
angebracht und verzerrt das Feld passend nichtlinear um
die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern.
Füllungas Argon, Neon.

Ich kann mir nicht vorstellen, wie man ansonsten so
kleine und genau definierte Spannungen erreicht.
Toleranz ist bei allen Typen +/-25 ... +/-15%

Die Nennspannung ist eine DC-Spannung.
Als Grenzwert für die normale DC-Spannung der Schaltung
gedacht. 90V -25% passt gerade noch für die 65V am
Telefon, Ruf darf da keiner kommen.
Die Ansprechstossspanung ist bei 1kV/usec Anstieg <600V.
Der AC-Wert ist nur sehr diffus definierbar.

MfG JRD