Wie man Elektronikdesigns vor Leistungsspitzen schützt

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Bild 1: Test einer TBU-geschützten Schaltung mit einer Spannungsspitze von 500 V – Die TBU reagiert innerhalb weniger Nanosekunden und aktiviert den Schutz in weniger als einer Mikrosekunde, sodass eine Energie von nur wenigen nJ die Schaltung erreicht. (Archiv: Vogel Business Media)

Bei Überschreiten des Grenzstromwertes auf Grund einer Überstrom-Situation schaltet das TBU-Bauteil in weniger als einer Mikrosekunde in einen hochohmigen Zustand um. Auf Grund der dadurch erzeugten virtuellen Stromkreisunterbrechung gelangen nur wenige µJ an Energie in das geschützte Gerät (Bild 1). Sobald der Fehler behoben und das Schutzbauteil zurückgestellt ist, arbeitet die Schaltung normal weiter. Die TBU geht erst dann auf Normalbetrieb zurück, wenn der Strompegel wieder einen sicheren Betriebszustand gewährleistet.

Schaltungsschutz nicht nur für Telekom-Applikationen

Nicht nur bei Telekom-Geräten gelten höchste Anforderungen an den Schaltungsschutz, sondern auch bei Industrie-, Sicherheits-, Test- und Prozessteuerungsanlagen. In deren Einsatzbereich kommt es häufig zu Schwankungen oder Störungen in der Leistungsversorgung. Autonome Betriebsparameter lassen sich daher nur mit Hilfe von Schutzvorrichtungen aufrechterhalten, die schnell ansprechen und rückstellbar sind.

Was wie eine einfache Entwurfsmethodik für eine doch recht gängige Funktion aussieht, birgt zahlreiche Herausforderungen in der Umsetzung. Oft entstehen am Ende Entwürfe, die sehr komplex sind, auf Vermutung basieren oder nur unzureichend schützen.

Eine Surge-Schutzschaltung besteht typischerweise aus einer Primär- und Sekundärschaltstufe zum Schutz empfindlicher Elektroniksysteme vor Überspannung und Überstrom auf Grund von Leistungsspitzen. Der Primärkreis schützt vor Überspannung, die Sekundärseite, wie im Falle eines TBU-Bauteils, vor Überstrom. Es gibt Schutzlösungen für verschiedenste Bauteile, und die Koordination der Primär- und Sekundärstufe ist oftmals kompliziert. Der Entwickler muss über die Systemspezifikationen genau Bescheid wissen, um die gewünschte Systemleistung zu erzielen.

Geringer Störeinfluss auch bei Hochfrequenzanwendungen

Die wichtigsten Aspekte beim Entwurf von Schaltungsschutzlösungen besonders für High-Speed-Anwendungen sind Geschwindigkeit, Bandbreite und Induktivität. Mit jeder neuen Chipset-Generation in Rechnersystemen kommen schnellere Schnittstellen zum Einsatz. Bei kritischen Anwendungen muss deshalb eine Wiederherstellung innerhalb von Sekundenbruchteilen anstelle von Minuten oder gar Stunden möglich sein. TBU-Bauteile schützen in weniger als einer Mikrosekunde. Sie stellen sich sofort nach Behebung der Leistungsspitze zurück und erfüllen damit alle Anforderungen an Schnelligkeit und Zuverlässigkeit.

Um in diesen Applikationen immer größere Datenmengen bei steigenden Übertragungsgeschwindigkeiten zu beherrschen, ist eine ausreichende Bandbreite erforderlich. Da TBU-Bauteile keine Kapazität aufweisen, sind sie auch mit Hochgeschwindigkeits-Datenbussen kompatibel. TBUs erzeugen eine Einfügungsdämpfung von nur etwa 0,5 dB sowie 3 dB Signalabfall bei 2 bis 3 GHz.

Damit das Schaltungsschutzelement auch in Hochfrequenz-Designs effizient und transparent arbeitet, darf es nur minimalen Störeinfluss einbringen. Am kritischsten ist dabei die Induktivität. Sie kann zu höherer Impedanz in der Schaltung führen, wenn Leistung proportional zur zweiten Potenz des Stroms, der in der Leitung fließt, gespeichert wird. Dies müsste bereits zum Entstehungszeitpunkt der Überstrom-Situation behoben werden.

Die eingebrachte Induktivität des TBU-Bauteils liegt effektiv bei Null, sodass der Widerstand in der Schutzschaltung nicht ansteigt. Lediglich durch die Leiterbahnen auf dem Board wird Induktivität eingebracht; sie lassen sich wie Übertragungsleitungen in High-Speed-Designs handhaben.

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