Analog-Praxis

Das Gespenst der elektrischen Überlastung

Kristin Rinortner 31. Januar 2013 Bauelemente, Home Keine Kommentare

Es kommt immer wieder vor, dass Kunden mir berichten, dass mein Unternehmen ein fehlerhaftes Produkt geliefert hätte. Ich frage sie, was mit dem Bauteil nicht in Ordnung ist, und die Antwort lautet: „Es funktioniert einfach nicht.“ Oftmals stelle ich dann fest, dass der Kunde das Problem durch elektrische Überlastung (auch bekannt als Electrical Overstress, EOS) unbeabsichtigt selbst verursacht hat.

Eine offensichtliche Quelle für elektrische Überlastung ist eine elektrostatische Entladung. Derartige Ereignisse treten auf, wenn sich zwei Körper mit verschiedenen elektrostatischen Potenzialen in unmittelbarer Nähe befinden und ein Potenzialunterschied von Hunderten oder gar Tausenden Volt besteht. Ein weiteres EOS-Ereignis kann eintreten, wenn mehrere Spannungsquellen in einem System zu verschiedenen Zeitpunkten eingeschaltet werden. Dabei kann es passieren, dass ein oder mehrere Pins eines Bausteins im System einer Überspannung ausgesetzt werden. Ein anderes Überlastungsszenario besteht darin, dass ein Signal aus der „Außenwelt“ oder aus einem anderen Teil des Systems, das eine andere Versorgungsspannung verwendet, den Eingang oder den Ausgang eines Verstärkers erreicht.

Wenn Sie zuverlässige Systeme entwickeln wollen, die einfach zu produzieren sind und eine geringe Ausfallrate im Einsatz aufweisen, müssen Sie Ihre Aufmerksamkeit auf die Möglichkeit von Überspannungsereignissen in Ihrer Schaltung richten.

Vielleicht verlassen wir uns unbewusst darauf, dass die interne ESD-Schaltung eines Bausteins im Falle eines EOS-Ereignisses Schutz bietet. Es kann jedoch vorkommen, dass ein IC perfekt funktioniert, bevor er mit der Spannungsversorgung verbunden wird, aber zerstört wird, kurz nachdem die Versorgungsspannung und die Eingangssignale angelegt wurden. Das EOS-Ereignis kann so stark ausfallen, dass der IC so stark erwärmt wird, dass sowohl der Chip als auch das Gehäusematerial schmelzen (Bild 1).

Bild 1: Ein zerstörter IC nach einem EOS-Ereignis

Bild 1: Ein zerstörter IC nach einem EOS-Ereignis

Integrierte Verstärkerschaltkreise enthalten üblicherweise keinen Schutz gegen EOS-Ereignisse. Bestenfalls werden bei einem EOS-Ereignis die internen ESD-Schutzschaltungen aktiviert, die dann ausreichenden Schutz bieten. Selbst wenn der Chip eine interne ESD-Schutzschaltung besitzt, kann diese Sie nicht vor sämtlichen EOS-Ereignissen schützen.

Ein häufiges EOS-Ereignis kann eintreten, wenn die Spannungsversorgung eines Verstärkers eingeschaltet wird, nachdem ein Eingangssignal angelegt wurde (Bild 2). Wenn der Eingangsstrom des OPA374 (Rail-to-Rail-I/O-CMOS-Operationsverstärker mit 6,5 MHz) nicht begrenzt wird, kann die ESD-Schutzschaltung des Verstärkereingangs zerstört werden.

 

Bild 2: Beachten Sie den nichtinvertierenden Verstärkereingang beim Einschalten! (erstellt mithilfe des Simulationstools TINA-TI)

Bild 2: Beachten Sie den nichtinvertierenden Verstärkereingang beim Einschalten! (erstellt mithilfe des Simulationstools TINA-TI)

Bild 2 zeigt die Simulationsergebnisse von TINA-TI (SPICE-Software von Texas Instruments) für dieses Szenario. Dabei steigt die Versorgungsspannung (VG2) in einem Zeitraum von 50 ms von 0 V auf 5 V an. Fünf Millisekunden nach dem Beginn des Anstiegs der Versorgungsspannung erscheint am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers ein Eingangssignal (VG1) von 3,5 V. Kurz nach diesen fünf Millisekunden ist die Eingangsspannung des Verstärkers somit höher als die positive Versorgungsspannung. Dadurch wird die ESD-Diode des nichtinvertierenden Eingangs aktiviert. Wenn die Eingangsquelle (VG1) über eine niedrige Quellimpedanz verfügt und hohe Ströme abgibt kann, kann ein möglicherweise schädlicher Strom durch die ESD-Diode fließen. Durch einen Eingangsvorwiderstand lässt sich die Eingangsschaltung vor Schäden schützen.

Ein EOS-Ereignis kann zur Aktivierung der ESD-Schutzschaltung in einem Operationsverstärker führen. Man könnte zur Annahme geneigt sein, dass die ESD-Schaltung auch in der Lage ist, mit EOS-Ereignissen umzugehen. ESD-Ereignisse sind von sehr kurzer Dauer, die üblicherweise weniger als ein paar Hundert Nanosekunden beträgt. Im Gegensatz dazu können EOS-Ereignisse deutlich länger dauern. Wenn die ESD-Schaltung durch ein EOS-Ereignis aktiviert wird, kann die Schaltung Strömen ausgesetzt werden, welche zu starker Erwärmung und potenzieller Zerstörung führen. Wenn Ihr System EOS-Ereignissen ausgesetzt ist, sollten Sie Maßnahmen ergreifen, um Ihre Schaltung durch eine einfache externe Schutzschaltung zu schützen. Auf diese Weise können Sie durch einen unwesentlichen zusätzlichen Entwicklungsaufwand im Vorhinein ernsthafte Probleme im Nachhinein vermeiden.

Die Autorin: Bonnie C. Baker, Texas Instruments

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