Bauteilsuche: Pegelkonverter und ESD Ein-/Ausgangsschutz

Hallo Frank, das ganze ist ein bisserl viel auf einmal ;-)) am frühen Morgen...

Ein paar wenige Dinge, was ESD-Schutz angeht:

Erstmal muss man für eine gute Überlegung zum ESD-Schutz wissen, wie genau die E/A´s arbeiten sollen, heisst, was sollen sie ansteuern, wie schnell und wie werden sie wiederum getrieben?

Ganz vereinfacht;-)) kannste von folgendem ausgehen: je langsamer und belastbarer ich die Nutzsignale habe, desto besser kann ich meinen ESD-Schutz aufbauen. Heisst weiter, wenn verschleifte Signale nicht wirklich stören, ich keine wirkliche Flankensteilheit brauche, wenn ich genug Energie vom Nutzsingnal wegfließen lassen kann, dann kann mein ESD-Schutz wirklich Schutz werden. Dort wo es geht, am E/A eine RC-Kombination mit antiparallelen Z-Dioden, wenn der C zum Bezug groß genug ist, wird praktisch ESD als zerstörendes Element dort keine Rolle mehr spielen. Beachte aber, daß damit nicht gemeint ist, daß Dein Design nicht "abstürzen" kann (ESD induziertes EMV/EMI).

So, das war jetzt ganz stark vereinfacht. Wem es nicht passt, der korrigiere mich bitte entsprechend ;-))

Grüße in den Tag... Uwe

Kannst du da eine Skizze zeichnen, wie das aussieht?

Warum brauche ich 2 Zenerdioden? Wenn ich die bei den Digitaleingängen in Sperrichtung gegen Masse schalte, dann leitet die doch bei positiven Störimpulsen, die größer als die Durchbruchsspannung sind, aber auch bei negativen Impulsen größer 0,7V.

Zum Ascii-Zeichnen bin ich zu faul ;-(( hier eine von vielen Hardcorevarianten: Widerstand (vielleicht 1K) in Reihe zum Eingangspin, Kondensator (vielleicht 100nF) zwischen Eingangspin und Masse,ZDioden vom Eingangspin zu VDD und zu GND (Richtig gepolt freilich). Wenn das schaltungstechnisch geht, dann hast Du mit ESD imho kein Thema mehr.

Der Witz ist einfach, für eine Überspannungsableitung zu sorgen (hier die Z-Dioden), den Energiefluß zu begrenzen (hier der Widerstand) und die Signalsteilheit zu verringern (hier die RC-Kombination).

Nun kann man trefflich streiten, ob es mit einer Diode nicht auch funktioniert. Es wird! Wie weit, das hängt auch von der Bauart Deines E/A-Bauelementes ab.

Du wirst feststellen, daß letztlich jede Schutzschaltung die Eingangskapazität und den Eingangswiderstand erhöht. Dadurch verschlechter sich das dynamische Verhalten und die Eingangsempfindlichkeit Deiner Schaltung.

Es bleibt immer ein Kompromiss bei der ESD-Sicherheit. 100% gegen alles was sich ESD nennt wirst Du nicht erreichen. 100KV MM (MachineModel) wirst Du jedoch auch kaum haben ;-)). Definiere zuerst, welche ESD-Sicherheit Du wirklich brauchst.

Grüße Uwe

Ich glaube ich verstehe jetzt die Diode gegen Plus: Da die Zenerdiode erst ab einer gewissen Spannung leitet, hilft die zusätzliche Diode, die Überspannung auf 0,7V über Plus zu begrenzen. Da braucht man aber doch nur eine normale Diode, oder?

Ich habe mal versucht, die Schaltung mit ltSpice zu simulieren:

Als Eingang habe ich ein -20V/+20V Rechtecksignal mit 10kHz genommen. Mit R3 habe ich versucht, die Ausgangsimpedanz des externen Logik-Treibers zu simulieren. Würde bei deiner Idee mit dem 100nF Kondensator der Treiber dann nicht stark belastet? Ich habe daher zur Sicherheit noch R4 eingebaut, um den Umladestrom zu begrenzen. D1 ist eine Zenerdiode mit 6,2V Durchbruchspannung, kann aber im Prinzip beliebig hoch sein, da ja mit der Diode D2 alles oberhalb 5,7V weggefiltert wird.

Ich verstehe jetzt noch nicht den Zweck von R1.

Mit R2 und C2 habe ich versucht, den Digitaleingang zu simulieren.

In den Diagramm unten sieht man, daß bei dem 10kHz Signal die Flanken noch erträglich wären.

Ja, da werde ich mal beim Auftraggeber anfragen.

Frank Buss :

Zur ESD-Simulation (human body) nimm einen auf 8000V geladenen 150pF Kondensator (mit z.B. ".ic V(n0001)=8000" kannst Du den vorladen), entladen über eine 50nH Drossel und 330Ohm in Deine Schaltung. (Die Drossel entspricht einem kurzen Drahtstück). Dann siehste die Wirkung der Widerstände und besonders des 100nF Kondensators. Z.B. wirst du dann Impulsströme von so ca. 20-30A sehen. Genau das, was ESD-Dioden auch aushalten - normale Zener dagegen ohne Vorwiderstand nicht. Auch wird deutlich, dass die Betriebsspannung möglichst mehr als 100nF haben sollte, damit so ein ESD-Puls nicht zur Überschreitung der VCC-Grenze führt.

M.

Danke, gute Idee mit dem Kondensator aufladen.

Zunächst habe ich da nichts gesehen, insbesondere noch nicht, was R1 macht. Wenn man aber dahinter noch eine Diodenschutz-Stufe hängt mit D3 und D4 (was wohl in einigen ICs schon enthalten ist), dann sieht man es ganz gut, daß die Spannung dann nie über 5,7V klettert.

Stellt sich aber die Frage, ob das ein Spice Artefakt ist oder tatsächlich die 8kV am Eingang komplett geblockt werden. Vielleicht sollte ich mal den Wollschaal-Test an einer realen Schaltung machen :-) oder gleich einen Van-de-Graaf-Generator o.ä. bauen.

Ja, das kann man jetzt sehr schön sehen.

Du meinst 100nF parallel zur Versorgungsspannung? Mache ich ja sowieso immer hinter den Spannungsreglern. Vielleicht sollte ich dann auch einen richtigen Spannungsregler, mit begrenzter Ausgangsimpedanz, in die Schaltung einbauen. Oder könnte man das einfach über einen kleinen Widerstand im Plus-Zweig der Spannungsquelle simulieren, vielleicht noch in Verbindung mit einer kleinen Spule für die Leitungsdrahtsimulation?

Scheint mir hoch, traditionell warens immer nur 2kV:

Neumodisch haben sie die wohl jetzt nach oben aufgebohrt:

/ ESDS Component Sensitivity Classification - Human Body Model / (Per ESD STM5.1-1998) Class Voltage Range / Class 0 < 250 volts / Class 1A 250 volts to < 500 volts / Class 1B 500 volts to < 1,000 volts / Class 1C 1000 volts to < 2,000 volts / Class 2 2000 volts to < 4,000 volts / Class 3A 4000 volts to < 8000 volts / Class 3B > = 8000 volts MfG JRD

Frank Buss :

Mach mal (anstelle der Zener) ne Diode in Reihe und lade damit die

M.