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Grundlagen Wie man Maximalwerte und Wärmewiderstände richtig interpretiert

| Autor: Kristin Rinortner

Beim Einsatz von aktiven Bausteinen in einer Elektronikschaltung stellt sich oft die Frage, welche maximalen Belastungen für Komponenten zulässig sind und damit letztendlich, wie die einzelnen Schaltungsteile zu dimensionieren und zu schützen sind. Einige grundsätzliche Antworten zu diesen Themenumfeld zeigen wir am Beispiel eines Operationsverstärkers auf.

Aktive Halbleiterkomponenten: Sie haben ihre Tücken. Viele frustrierende Erlebnisse könnten vermieden werden, wenn man die Datenblätter richtig liest und interpretiert.
Aktive Halbleiterkomponenten: Sie haben ihre Tücken. Viele frustrierende Erlebnisse könnten vermieden werden, wenn man die Datenblätter richtig liest und interpretiert.
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Wenn elektronische Bausteine nicht richtig funktionieren, ist dies für den Anwender oft frustrierend. Zweifellos führen viele Wege zu einer gelungenen Schaltung, noch zahlreicher sind die Fälle, bei denen man scheitern kann. Faktum ist, dass 90% der Probleme und Fehler, mit denen Anwender konfrontiert sind, auf oberflächliches oder falsches Lesen des Datenblatts zurückzuführen sind und somit eigentlich vermeidbar wären. Der folgende Beitrag beantwortet eine Reihe häufig gestellter Fragen über absolute Maximalwerte und Wärmewiderstände am Beispiel eines Operationsverstärkers.

Darf man einen Verstärker geringfügig über seinen absoluten Maximalwerten betreiben?

Auf gar keinen Fall! Die im Datenblatt angegebenen absoluten Maximalwerte sind unter allen Umständen einzuhalten, wenn man nicht Gefahr laufen will, das Bauelement dauerhaft zu beschädigen. Die absoluten Maximalwerte geben die Obergrenzen an, die ein Baustein zwar verträgt, bei denen er aber keinesfalls betrieben werden soll. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung den absoluten Maximalwert übersteigt, kann es zu einem Durchbruch an den differenziellen Transistorpaaren am Eingang kommen, was einen übermäßigen Fehlerstrom zur Folge haben kann.

Dies wiederum resultiert nicht nur in einer Verschiebung der Leistungsparameter, sondern bewirkt auch Elektromigration, durch die das Bauelement langfristig permanent zerstört werden kann. Die absoluten Maximalwerte sind also strikt zu meiden, will man nicht die dauerhafte Beschädigung des Bauelements riskieren.

Was ist zusätzlich über absolute Maximalwerte zu sagen?

 Bild 1: Beispiel für eine Tabelle mit absoluten Maximalwerten Bild 1: Beispiel für eine Tabelle mit absoluten Maximalwerten

Die Tabelle mit den absoluten Maximalwerten enthält die maximal zulässigen Obergrenzen für Spannung, Temperatur und Strom (Bild 1).

Die maximale Versorgungsspannung, die z.B. an einen Operationsverstärker angelegt werden darf, richtet sich nach dem verwendeten Herstellungsprozess. Die Angabe bezieht sich auf den Momentanwert und nicht auf den Durchschnitts- und Endwert. Bei den Niederspannungs-CMOS-Operationsverstärkern von Analog Devices beträgt die Obergrenze in der Regel 6 V, wohingegen bipolare Hochvolt-Bausteine auf 36 V begrenzt sind.

Die maximale Eingangsspannung hängt ebenfalls von der Architektur der Eingangsstufe und der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers ab. Nahezu alle Operationsverstärker sind mit Schutzdioden gegen elektrostatische Entladung (ESD-Dioden) abgesichert. Über die am Eingang befindlichen ESD-Dioden legt man fest, wie weit die Eingangsspannung über die Versorgungsspannung hinausreichen darf. In der Regel kann die Eingangsspannung um einen Dioden-Spannungsabfall (je nach Temperatur zwischen 300 und 700 mV) höher sein als die Versorgungsspannungen.

Liegt die Eingangsspannung außerhalb des zulässigen Bereichs, überschreitet aber noch nicht den absoluten Maximalwert, ändert sich das Betriebsverhalten des Bausteins. Der Operationsverstärker wird dann zwar nicht beschädigt, funktioniert aber unter Umständen nicht mehr richtig. Zum Beispiel kann er phasenverkehrt arbeiten oder sein Eingangs-Biasstrom oder seine Eingangs-Offsetspannung können deutlich ansteigen.

Sobald die Eingangsspannung den absoluten Maximalwert überschreitet, besteht das Risiko, dass der Operationsverstärker dauerhaft beschädigt wird. Das ist beispielsweise der Fall, wenn der Eingang eines Operationsverstärkers, an dem durch eine falsche Hochlaufreihenfolge noch keine Versorgungsspannung anliegt, mit einer Spannung beaufschlagt wird. Der absolute Maximalwert wird überschritten und es tritt eine Überspannung am Eingang auf, die den Baustein zerstören kann.

Monolithische, gegen überhöhte Eingangsspannungen abgesicherte Verstärker

Dies lässt sich einfach abwenden, wenn man einen monolithischen, gegen überhöhte Eingangsspannungen abgesicherten, Verstärker verwendet. Die Hersteller statten diese Bauelemente mit eingebauten Schaltungen zum Schutz vor zu hohen Eingangsspannungen aus und bieten damit eine einfach anzuwendende Alternative zu diskreten analogen Lösungen. Ein Beispiel für einen solchen Baustein ist der Präzisionsverstärker ADA4091-2 mit Überspannungsschutz. Die Eingangsspannung kann hier bis 25 V über und unter der Versorgungsspannung liegen, ohne dass das Bauelement beschädigt wird.

Die maximale differenzielle Eingangsspannung gibt die größte differenzielle Spannung an, die an den Eingangs-Anschlüssen anliegen darf, ohne eine zu große Stromstärke zu verursachen.

 Bild 2: Antiparallel geschaltete Dioden schützen den Eingang vor zu hohen differenziellen Spannungen Bild 2: Antiparallel geschaltete Dioden schützen den Eingang vor zu hohen differenziellen Spannungen

Einige Operationsverstärker verfügen über eingebaute antiparallel geschaltete Dioden (Bild 2), die einen Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke in der Eingangsstufe verhindern. Die Anzahl der Begrenzungsdioden zwischen den Eingangsanschlüssen lässt Rückschlüsse darauf zu, wie hoch die maximale differenzielle Eingangsspannung ist.

Die Tabelle mit den absoluten Maximalwerten enthält oft auch eine Angabe zum maximalen Eingangsstrom, der am Eingang anliegen darf. Ist der höchstzulässige Eingangsstrom nicht angegeben, sollte der Eingangsstrom auf Werte unter 5 mA begrenzt werden. Ist zu erwarten, dass der Eingangsstrom über den absoluten Maximalwert steigt, sollten die Eingangs-Anschlüsse zur Strombegrenzung mit Widerständen versehen werden, wie in Bild 2 gezeigt. Dies verursacht jedoch Rauschen und erhöht die auf den Eingang bezogene Offsetspannung.

Wird ein Baustein sofort unbrauchbar, wenn die absoluten Maximalwerte überschritten werden?

Beim Überschreiten der absoluten Maximalwerte können verschiedene Ausfallmechanismen auftreten. Erstens kann ein Baustein umgehend zerstört werden, sobald ein absoluter Maximalwert überschritten wird. Wenn eine außergewöhnliche hohe Spannung an einen Verstärker gelegt wird (z.B. 30 V Versorgungsspannung an einen für 6 V spezifizierten CMOS-Verstärker), erfolgt beinahe sofort ein Durchbruch der Transistoren, wodurch der Baustein defekt ist.

Zweitens kann ein Bauelement ausfallen, wenn absolute Maximalwerte über längere Zeit überschritten werden. Gelegentlich kommt es vor, dass ein Baustein nicht sofort Schaden nimmt, wenn er einer zu großen Spannung oder einem zu hohen Strom ausgesetzt wird. Langfristig kann die Schaltung jedoch beschädigt werden.

Zum Beispiel lässt sich kurzzeitig eine Spannung von 7 V an einen 6-V-Verstärker anlegen. Bei dauerhafter Überlastung können jedoch die Sperrschichten verringert werden, bis es schließlich zu einem Durchbruch kommt. In diesem Fall wird also die Langzeit-Zuverlässigkeit des Bausteins stark beeinträchtigt.

Drittens kann die Nichteinhaltung der absoluten Maximalwerte eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit bewirken und zum Überhitzen der Sperrschichten führen, was schließlich ebenfalls zum Ausfall des Bausteins führt. Ein zu hoher Eingangsstrom etwa kann das Betriebsverhalten ändern und Elektromigration verursachen. Sammelt sich zu viel Wärme an, werden möglicherweise auch die thermischen Grenzwerte der Sperrschichten überschritten. Auch wenn kein thermischer Durchbruch erfolgt, wird die Lebensdauer des Bauelements durch die höhere Betriebstemperatur gravierend verringert.

Um also jegliche Beschädigung des Verstärkers zu vermeiden, ist ein Überschreiten der absoluten Maximalwerte unbedingt zu vermeiden. Für eine maximale Lebensdauer sollte zudem ein sicherer Abstand zu den absoluten Maximalwerten im Betrieb eingehalten werden.

Was ist der Unterschied zwischen Lager-, Betriebs-, Sperrschicht- und Anschluss-Löttemperaturbereich?

Unter der Lagertemperatur versteht man die Temperatur, bei der der nicht unter Spannung stehende Baustein sicher gelagert werden kann. Das Bauelement aus Bild 1 verkraftet bei der Lagerung beispielsweise Temperaturen von –65 bis 150°C, ohne dass seine Funktionsfähigkeit in einer Schaltung beeinträchtigt wird.

Unter der Betriebstemperatur versteht man die Temperatur der Umgebung oder des Systems, bei der sich das Bauelement im Betrieb befindet. Verstärker sind in der Regel für den Betrieb in dem im Datenblatt angegebenen Betriebstemperaturbereich geprüft und spezifiziert. Die folgenden Betriebstemperaturbereiche sind üblich:

  • Kommerzieller Temperaturbereich: 0 bis 70°C,
  • Industrieller Temperaturbereich: –40 bis 85°C,
  • Erweiterter industrieller Temperaturbereich: –40 bis 105°C,
  • Automotive-Temperaturbereich: –40 bis 125°C,
  • Militärischer Temperaturbereich: –55 bis 125°C.

Die Sperrschichttemperatur ist die Temperatur des unter Spannung stehenden Halbleiterchips im Gehäuse unter Einbeziehung der Verlustleistung. Häufig überwachen Anwender zwar die Betriebstemperatur, um deren absoluten Maximalwert nicht zu überschreiten, lassen dabei aber die Sperrschichttemperatur, die sich mit der Verlustleistung erhöht, außer Acht. Wie man die Sperrschichttemperatur berechnet, wird weiter unten erläutert.

Die Anschluss-Löttemperatur gibt an, welcher Temperatur die Anschlüsse des Bausteins bei der manuellen Lötung ausgesetzt werden dürfen. Bild 1 nennt hier einen maximalen Wert von 300 °C für eine Dauer von 60 s, bevor es zur Beschädigung des Bauelements kommt. Davon abgesehen ist aus Zuverlässigkeitsgründen vom manuellen Löten generell abzuraten.

Analog Devices verwendet für die Anschlüsse seiner Bauelemente eine Zinn-Blei-Legierung und bleifreie Anschlüsse. Seit der Umstellung auf RoHS-konforme Produkte werden alle neu eingeführten Bauelemente ausschließlich mit bleifreien Werkstoffen hergestellt. Die maximale Löttemperatur beim Reflow-Löten ist für beide Werkstoffe unterschiedlich und beträgt 220°C für Zinn-Blei-Anschlüsse bzw. 260°C für bleifreie Anschlüsse.

Weitere Informationen enthält der IPC/JEDEC-Standard „IPC/JEDEC J-STD-020”. Die JEDEC-Standards können von der JEDEC-Website kostenlos heruntergeladen werden.

Unter allen Umständen sollte sichergestellt sein, dass die für ein Bauelement angegebenen Maximaltemperaturen eingehalten werden.

Was versteht man unter dem Wärmewiderstand?

Der absolute Wärmewiderstand oder auch absolute thermische Widerstand ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die entsteht, wenn ein Wärmestrom durch ein Objekt oder Material hindurchtritt. Der Wärmewiderstand gibt also eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien an (z.B. zwischen einer Transistor-Sperrschicht und der Umgebungsluft), wenn durch ihn eine Wärmeleistung von 1 W geleitet wird. Er wird ausgedrückt durch die Temperaturdifferenz ΔT pro Wärmestrom Qv mit der Einheit [K/W]. Für den Wärmewiderstand ist das Symbol Rth bzw. in der englischen Literatur θ üblich. Mit der Angabe des Wärmewiderstands im Datenblatt lassen sich die thermischen Eigenschaften verschiedener Gehäuse vergleichen.

Analog Devices ermittelt die Wärmewiderstände seiner Bauelemente nach dem JEDEC-Standard und gibt die zugrundegelegten Prüfbedingungen im Datenblatt an. Beträgt der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft bei einem Operationsverstärker beispielsweise 120 K/W, stellt sich bei einer Verlustleistung von 1 W eine Temperaturdifferenz von 120 K zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft ein.

Welche Bedeutung haben die Angaben θja und θjc?

Ein Beispiel für eine Tabelle mit Wärmewiderstandsangaben und Informationen zu θja und θjc ist in Bild 3 zu sehen.

 Bild 3: Beispiel einer Wärmewiderstands-Tabelle Bild 3: Beispiel einer Wärmewiderstands-Tabelle

θjc steht für den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (junction to case) und bezeichnet den Widerstand, den der Wärmestrom zwischen Halbleiter-Sperrschicht und Gehäuse (Ober- oder Unterseite) überwinden muss. θjc hängt von der Dicke und Oberfläche des Halbleiters und der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe ab, die der Wärmestrom auf seinem Weg passiert.

Im JEDEC-Prüfstandard basiert die Definition von θjc auf der Annahme, dass die gesamte Wärme über die Gehäuseoberseite an einen Kühlkörper abgeleitet wird. Nach dieser Definition fließt also keinerlei Wärme über die Seitenflächen oder den Boden des Gehäuses ab. θjc ist also nur dann sinnvoll anzuwenden, wenn das Gehäuse direkt auf einen Kühlkörper montiert ist. Je kleiner θjc ist, umso leichter fließt die Wärme an den Kühlkörper ab (Gleichung 1).

θjc = (TJ – TC) / PD                        (Gleichung 1)

Darin sind: TJ die Sperrschichttemperatur, TC die Temperatur an der Oberfläche des Gehäuses und PD die im Gehäuse abfallende Verlustleistung.

θja bezeichnet den thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (junction to ambient). Dieser ist für den Wärmestrom von der Sperrschicht an die umgebende (ruhende) Luft relevant und gibt außerdem an, wie gut die Wärme von der Sperrschicht über alle in Frage kommenden Wege an die umgebende Luft abfließen kann.

In den meisten Fällen wird die Wärme hauptsächlich über die Anschlüsse an die Leiterplatte abließen. Somit ist θja für Gehäuse ohne externen Kühlkörper relevant. In der Praxis wird θja durch die Umgebungsverhältnisse und die Befestigungstechnik bestimmt. Der Wert kann durch mangelhafte Luftzirkulation und die Verwendung von Stecksockeln erheblich ansteigen. Verbessert wird die Wärmeabfuhr dagegen durch die Verwendung eines Lüfters und direktes Auflöten des Bausteins auf eine Leiterplatte mit breiten Leiterbahnen.

Dies verringert den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung und senkt damit die Sperrschichttemperatur (Gleichung 2).

θja = (TJ – TA) / PD               (Gleichung 2)

Darin sind: TA die Umgebungstemperatur, TJ die Sperrschichttemperatur und PD die im Gehäuse abfallende Verlustleistung.

θja wird meist zur Beurteilung von Gehäusen verwendet, sollte aber nicht benutzt werden, um die thermischen Eigenschaften eines Systems vorherzusagen. Dieser Wärmewiderstand dient stattdessen als Kennzahl für den Vergleich der thermischen Eigenschaften verschiedener Gehäuse, die unter identischen Umgebungsbedingungen geprüft werden. Je kleiner θja ist, umso besser sind die thermischen Eigenschaften des betreffenden Bausteins und umso geringer ist das Risiko einer Überhitzung. Größere Bauelemente mit größerer Gehäusefläche können Verlustwärme effektiver abführen und haben deshalb meist kleinere Wärmewiderstände.

Wenn die Umgebungstemperatur und die Verlustleistung bekannt sind, wird θja häufig zur Berechnung der Sperrschichttemperatur herangezogen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich mit θja nur dann aussagefähige Informationen ermitteln lassen, wenn die Einsatzumgebung des Systems weitgehend identisch mit der definierten Prüfumgebung nach dem JEDEC-Standard ist. θja wird maßgeblich vom Leiterplattendesign (Anzahl der Lagen, weitere Wärme entwickelnde Bauelemente, Zahl der Kupfer-Leiterbahnen usw.) und den Bedingungen der Prüfumgebung bestimmt. θja sollte nur mit großer Vorsicht für Temperaturberechnungen verwendet werden, denn wegen der Abweichungen zwischen realem Umfeld und Prüfumgebung erhält man meist ungenaue Werte.

Wie lässt sich die Sperrschichttemperatur näherungsweise bestimmen, um sicherzustellen, dass der absolute Maximalwert nicht überschritten wird?

Wenn man davon ausgeht, dass die Prüfbedingungen identisch mit den Standardbedingungen sind, kann die Sperrschichttemperatur mit Gleichung 3 berechnet werden.

TJ = TA + θja PD            (Gleichung 3)

TA (Umgebungstemperatur) ist ebenso bekannt wie der Wärmewiderstand θja. Die Verlustleistung im Gehäuse lässt sich mit Gleichung 4 berechnen.

PD = Isy Usy + ILast (Usy – Uout)                 (Gleichung 4)

Isy Usy bezeichnet die Ruhe-Verlustleistung, und ILast (Usy – Uout) gibt die Verlustleistung des Endstufentransistors an.

 Bild 4: Spannungsfolger mit Eins-Verstärkung Bild 4: Spannungsfolger mit Eins-Verstärkung

Dazu ein Beispiel: Beide Kanäle des Zweifach-Verstärkers AD8622 im SOIC-Gehäuse arbeiten bei der in Bild 4 gezeigten Beschaltung. Der Verstärker ist mit einer Betriebsspannung Usy von 30 V und einem Betriebsstrom Isy von 350 µA spezifiziert. Beschreibt man die Verlustleistung der Endstufe mit dem Quadrat der Eingangsspannung geteilt durch den Lastwiderstand ergibt sich nach Gleichung 5 eine Gesamtverlustleistung von 66 mW.

PD = 2 [350 µA 30 V + (15 V)2/10 kΩ]                        (Gleichung 5)

PD = 66 mW.

Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C lässt sich TJ wie folgt berechnen (der Wärmewiderstand ist aus Bild 3 zu entnehmen):

TJ = 25°C + 120°C/W 66 mW

TJ = 32,92°C.

Wäre stattdessen der Vierfach-Verstärker AD8624 (mit TSSOP-Gehäuse) verwendet worden, hätte sich die Verlustleistung auf 132 mW verdoppelt und die Sperrschichttemperatur wäre auf 39,78°C angestiegen.

PD = 4 [350 µA 30 V + (15 V)2)/10 kΩ]

PD = 132 mW.

TJ = 25°C + 112°C/W 132 mW

TJ = 39,78°C.

Um eine zuverlässige Schaltung zu entwickeln, sollte man eine thermisch effiziente Leiterplatte mit großflächigen Kupfer-Leiterbahnen, die eine gute Wärmeleitfähigkeit garantieren, verwenden. Mehrere Leiterplattenlagen mit einer großen Anzahl Vias helfen ebenfalls, die Wärme vom Gehäuse abzuführen. Sinnvoll ist es auch, ein Gehäuse mit niedrigem Wärmewiderstand zu wählen oder die Verlustleistung zu senken, indem die Last verringert oder die Versorgungsspannung gesenkt wird.

Häufig werden Einfach- statt Zweifachverstärker oder Zweifach- anstelle von Vierfach-Verstärkern verwendet, um die lokale Konzentration der Verlustwärme auf der Leiterplatte zu reduzieren.

Wie muss man vorgehen, wenn ein Gehäuse eine herausgeführte Kühlfläche besitzt?

 Bild 5: LFCSP-Gehäuse mit herausgeführter Wärmeableitfläche Bild 5: LFCSP-Gehäuse mit herausgeführter Wärmeableitfläche

LFCSP-Gehäuse (Bild 5) sind kleiner und haben an ihrer Unterseite in der Regel eine Metallfläche, die der Wärmeableitung dient. Diese muss mit einer entsprechenden Metallfläche auf der Leiterplatte verlötet werden und stellt der Verlustwärme einen sehr geringen thermischen Widerstand bei der Ableitung an die Umgebung entgegen. Im Datenblatt ist angegeben, ob diese Fläche mit der Masse oder der positiven oder negativen Versorgungsspannung zu verbinden ist. θja wird in vielen Fällen unter der Annahme getestet, dass diese Verbindung besteht. Dementsprechend fällt der tatsächliche thermische Widerstand höher als angegeben aus, wenn diese Verbindung nicht existiert.

Literatur:

[1] AN-892 Application Note, Temperature Measurement Theory and Practical Techniques. Analog Devices

[2] MT-093 Tutorial, Thermal Design Basics. Analog Devices

[3] Zumbahlen, Hank: Basic Linear Design, Analog Devices. Chapter 1. Verfügbar auch als Linear Circuit Design Handbook, Elsevier

[4] MT-036 Tutorial, Op Amp Output Phase Reversal and Input Over-voltage Protection, Analog Devices

[5] Rarely Asked Questions, What’s the big deal about ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS? Analog Devices

[6] Datenblatt ADA4091-2/ADA4091-4 Precision Micropower, OVP, RRIO Operational Amplifier

[7] Datenblatt AD8665 16V, 4MHz, Rail to Rail Output Amplifiers Die Autorin: Vicky Wong arbeitet als Applikationsingenieurin bei Analog Devices.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.