gesponsertÜberspannungsschutz Spannungsspitzen mit TVS-Dioden in den Griff bekommen

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Transiente Überspannungen können in vielen Anwendungen unerwartet auftreten. Die Konsequenzen reichen von Funktionsfehlern bis zu Zerstörung. TVS-Dioden schützen empfindliche Schaltungsteile und leiten dazu Störströme wirkungsvoll ab.

TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressors) werden zum Schutz von Schaltkreisen vor hohen Spannungsspitzen eingesetzt. Sie sind für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt und arbeiten durch Störstromableitung, wenn die Sperrspannung das Lawinendurchbruchspotenzial überschreitet. Sie sind im Grunde genommen Hochleistungs-Zenerdioden und stellen eine spezielle Form von Avalanche-Dioden dar.

TVS-Dioden verkraften große Leistungsspitzen (Hunderte oder Tausende Watt), im Gegensatz dazu offerieren Zener-Dioden eine engere Spannungstoleranz. TVS-Dioden haben grundsätzlich eine höhere parasitäre Kapazität als Zener-Dioden. Es gibt sie entweder in unidirektionaler oder bidirektionaler Ausführung.

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Unidirektionale TVS-Dioden sperren bis zur Nennspannung in einer Richtung und verhalten sich in der anderen Richtung wie eine normale Diode in Durchlassrichtung. Bidirektionale TVS-Dioden sperren bis zur Nennspannung in beiden Richtungen, was sie für den Schutz vor Wechselströmen prädestiniert.

Unidirektionale TVS-Dioden weisen eine viel kürzere Einschaltzeit als ihre bidirektionalen Gegenstücke (z.B. 5 ps im Vergleich zu 5 ns) auf. Die elektrischen Symbole für die unidirektionale und bidirektionale TVS-Diode sind in Bild 1 gezeigt.

Eine bidirektionale TVS-Diode ist eine Schaltung aus zwei „antiseriell“ geschalteten TVS-Dioden (Bild 1, rechts). In Bild 2 sind die typischen Strom-Spannungskennlinien der Dioden dargestellt.

Super Speed Series: TVS-Dioden mit niedriger Kapazität

Es gibt eine Familie von TVS-Dioden, die als TVS-Dioden mit niedriger Kapazität (oder Super Speed Series, femtoF) bezeichnet werden. Sie haben eine viel geringere Kapazität als herkömmliche TVS-Dioden, typisch im Bereich von 0,1 bis 0,5 pF und sind für den Schutz von Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen wie USB, HDMI und Ethernet sowie für HF-Applikationen konzipiert. Die niedrige Kapazität wird durch Hinzufügen einer in Durchlassrichtung „vorgespannten“ Allzweckdiode in Reihe mit der üblichen in Sperrrichtung „vorgespannten“ TVS-Diode erreicht (Bild 3).

Eine ideale TVS-Diode blockiert den Strom vollständig, d. h. der Strom ist gleich Null, wenn die Eingangsspannung kleiner als die Durchbruchspannung ist. Wenn die Eingangsspannung größer als die Durchbruchsspannung ist, hat die TVS-Diode idealerweise einen Widerstand nahe Null, so dass die transiente Spannung wirksam unterdrückt werden kann.

Eine Standard-TVS-Diode klemmt dadurch, dass sie ab einer gewissen Spannung zu leiten beginnt und die über der Diode abfallende Spannung begrenzt. Diese Diode hat durch Leckströme und einem endlich kleinen Innenwiderstand ein „nichtideales“ Verhalten (Bild 2).

Eine TVS-Diode lässt sich halbleitertechnisch mit einem PN-Übergang realisieren, der eine definierte Durchbruchspannung aufweist. Wenn eine transiente Eingangsspannung die Durchbruchspannung übersteigt, entsteht ein Stromfluss durch die TVS-Diode, um den Schutz vor transienten Spannungen zu erreichen. Der TVS-Typ mit PN-Übergang hat jedoch keine Minoritätsträger und weist deshalb aufgrund seines hohen Innenwiderstands eine schlechte Klemmeigenschaft auf.

Es gibt in der Halbleitertechnik alternative TVS-Implementierungen mit bipolaren NPN/PNP-Übergängen, bei denen ein bipolarer Transistor für die Klemmeigenschaft durch einen Avalanche-Effekt ausgelöst wird. Die Basis des Transistors wird mit Minoritätsträgern überflutet und der bipolare TVS kann so eine Klemmspannung auf niedrigerem und konstantem Niveau erreichen, da der Avalanche-Strom durch die bipolare Verstärkung des Transistors an sich über seine Basis erhöht wird.

Wirksamer ESD-Schutz: TVS-Dioden mit „Snapback“-Effekt

Diese Art von „TVS-Diode“ beruht auf der internen Struktur von MOSFET-Bauteilen und ist in ihrer Art deutlich komplexer, als das Schaltbild der TVS-Diode (Bild 1) vermuten lässt.

Jeder NMOS-FET enthält aufgrund der Konfiguration des dotierten Materials einen parasitären bipolaren Sperrschichttransistor (BJT). Im normalen Betrieb eines NMOS-Bauelements kommt der parasitäre BJT nicht zum Tragen. Wie in Bild 4 dargestellt, hat der BJT die Source als Emitter und den Drain als Kollektor und das p-Substrat darunter kann unter den richtigen Bedingungen als die Basis des BJT dienen.

An dieser Stelle muss zum weiteren Verständnis der Funktion die „Stoßionisation“ erklärt werden: Ein bewegliches Elektron oder Loch (positiver Ladungsträger) bewegt sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Bei einem schwachen elektrischen Feld bewegt es sich, ohne das System zu verändern.

Bei einem starken elektrischen Feld jedoch, wie es in einem Bauteil mit einer hohen Spannung an den Anschlüssen auftritt, stößt der bewegliche Ladungsträger energetisch auf gebundene Ladungsträger, die dann „ausbrechen“ können. Diese neuen Ladungsträger vervielfachen wiederum den Prozess, was zu einem Lawinenstrom führt.

Wenn sich dieser Lawinenstrom auf die Basis des parasitären BJT zubewegt, kann der Basisstrom den BJT öffnen und es fließt ein hoher Strom zwischen Kollektor und Emitter. Nach dem Öffnen, d.h. Auslösen des Bauelements, ist das hohe elektrische Feld, das den Prozess in Gang gesetzt hat, nicht mehr notwendig (vorhanden), um den Strom aufrechtzuerhalten.

Die Leitung des Stroms wird mit steigendem Strom fortgesetzt, allerdings bei viel niedrigerer Spannung zwischen Emitter und Kollektor. Dieses Phänomen des Auslösens bei einer relativ hohen Spannung und des anschließenden Rückfalls in die Leitfähigkeit bei einer niedrigeren Spannung wird als Snapback bezeichnet. Ein schaltungstechnisches Beispiel sowie die Halbleiterstruktur sind in der AppNote „TVS-Dioden: Grundlagen, Funktion und deren Anwendungen“ [1] detailliert erklärt.

Bild 5 zeigt die Strom-Spannungskennlinien der uni- und bidirektionalen TVS-Dioden mit Snapback-Effekt. Für einen wirksamen ESD-Schutz sollte die Auslösespannung nicht so hoch sein, dass sie die zu schützende Schaltung beschädigt. Außerdem sollte die untere Haltespannung V_hold über der normalen Betriebsspannung der Schaltung liegen, was sichergestellt ist, wenn die maximale Betriebsspannung V_DC bzw. V_Ch nicht überschreitet. Wenn die TVS-Diode nicht richtig ausgewählt wird, besteht die Gefahr eines „Latch-Up“.

TVS-Dioden-Hybrid für Signal- und Datenleitungen

Ein spannungsbegrenzendes Bauelement muss Schutz vor transienten Ereignissen bieten, ohne den gewünschten Betrieb der Schaltung zu beeinträchtigen. Dies kann eine Herausforderung sein, da die Parameter oft einander entgegenstehen. Eine TVS-Diode für hochfrequente Signalschnittstellen sollte eine geringe Kapazität aufweisen, um das Signal nicht durch die kapazitive Last zu beeinflussen.

Inwieweit ein Bauelement Energie absorbiert, hängt jedoch von der Größe der Sperrschicht ab. Je größer die Sperrschicht ist, desto mehr Energie kann sie aufnehmen. Nachteilig ist, dass mit zunehmender Größe der Sperrschicht auch die Kapazität des Bauelements zunimmt. Wie schon gezeigt, ist eine gängige Methode zur Verringerung der effektiven Kapazität der Einsatz einer kapazitätsarmen Diodenschaltung (Bild 3).

Um mehrere, symmetrische Signalbusse wie z.B. USB 3.1 zu schützen, werden mehrere Diodenschaltungen zu einem „Array“ kombiniert (Bild 6). Die Kapazität der TVS-Diode ist durch die konventionellen Dioden vor der Schaltung praktisch „versteckt“. Die Dioden müssen dem Transientenstrom standhalten und benötigen eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung, die größer ist als die Durchbruchspannung der TVS-Diode.

Das DC- und AC-Verhalten von TVS-Dioden-Arrays mit detaillierten Messkurven und weitergehenden Erläuterungen lässt sich in [1] nachlesen.

Literatur

[1] Zenkner, H.: TVS-Dioden: Grundlagen, Funktion und deren Anwendungen. Application Note ANP143 von Würth Elektronik: www.we-online.com/anp143

[2] TVS-Dioden und weitere Bauelemente zum ESD-Schutz von Würth Elektronik: https://www.we-online.com/en/components/products/pbs/emc_components/esd_protection

* Dr. Heinz Zenkner ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV.

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