Geräte der Unterhaltungselektronik werden immer komplexer und damit auch anfälliger gegen ESD. Mit CeraDioden kann dieses Problem einfach und kostengünstig gelöst werden.

Mehr als durchschnittlich 80 Verbindungsleitungen, über die analoge und digitale Signale geleitet werden, sind in modernen Geräten der Unterhaltungselektronik zu finden. Einerseits handelt es sich dabei um interne Verbindungen wie Datenbusse, andererseits um I/O-Ports oder Bedienelemente wie Tasten und Schalter. All diese Verbindungen münden in hochintegrierte Schaltkreise, die äußerst empfindlich auf statische Entladungen reagieren.

Ein nahezu idealer ESD-Schutz dieser Geräte wird durch eine neue EPCOS-Serie der keramischen Halbleiter ermöglicht: CeraDioden. Aus keramischen Oxiden in Vielschichttechnik gefertigt, werden diese Bauelemente zur Unterdrückung von Überspannungen eingesetzt. Die einzelnen Schichten sind aus einer Vielzahl von Zinkoxid-Körnern aufgebaut. An den Grenzschichten der einzelnen Körner entsteht dabei eine Mikro-CeraDiode, vergleichbar mit einer Zener-Diode. Durch die große Zahl der einzelnen Mikro-CeraDioden ist die ESD-Belastbarkeit der CeraDiode insgesamt sehr viel größer als bei einer TVS-Diode, die lediglich einen pn-Übergang aufweist 1.

Die CeraDioden-Serie besteht aus verschiedenen Typen in der Bauform 0603. Neben der Einzelelement-Serie ist auch eine 4-Element-Anordnung in der Bauform 1206 in Entwicklung. Prototypen sind bereits erhältlich. Das Einsatzspektrum umfasst DC-Arbeitsspannungen von 5,6 V bis 22 V und Kapazitätswerte zwischen 2 pF und 470 pF. Die Wahl der optimalen CeraDiode hängt von den Umgebungsvariablen und der Anwendung ab
2.

Anwendungen in der Unterhaltungselektronik

CeraDioden werden bereits in vielen modernen Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt und sorgen dort für den nötigen Schutz: Set-Top-Boxen, Digitales TV, LCD-Monitore, LCD-TV, DVD und Digitalkameras. Die CeraDioden müssen parallel zu dem zu schützenden Bauteil geschaltet werden. Erhöht sich die Spannung über einen Grenzwert hinaus, wirken sie wie ein niederohmiger Parallelpfad zum empfindlichen Bauteil.

CeraDioden: Die wichtigsten Einsatzgebiete:

Scart/RCA-Stecker
Die Mehrzahl der 21 Anschlüsse eines Scart/RCA-Steckers 3 und 4 benötigen einen ESD-Schutz zur Vermeidung von Zerstörungen der nachgeschalteten Elektronik. Die folgenden Schutzmaßnahmen sind dabei empfehlenswert:

1. Video-I/O-Verbindung
Für diese Anwendung empfehlen sich CeraDioden mit kleinen Kapazitätswerten, um Signalverzerrungen zu vermeiden. Für kleinere Frequenzen eignet sich der Typ CDS3C20GTA, bei hohen Frequenzen bis zu 200 MHz der Typ CDS3C30GTH. Oberhalb von 240 MHz ist der CDS3C16GTH die beste Wahl. Der CDA5C20GPA als 4-fach CeraDiode im 1206-Gehäuse ist insbesondere bei Platzproblemen auf der Platine zu bevorzugen.

2. Audio Verbindungen
Um die hohe Qualität von Audio-Signalen zu erhalten, muss das hochfrequente Rauschen herausgefiltert werden. Die CeraDiode sorgt hier sowohl für eine HF-Entstörung, als auch für einen ESD-Schutz. Geeigenete Typen mit entsprechenden Kapazitäten sind: CDS3C15GTA mit 160 pF, CDS3C09GTA mit 220 pF und CDS3C05GTA mit 470 pF.
In einem Dolby-System können die Audio-Leitungen nicht mit einer unidirektionalen Diode geschützt werden. Täte man dies, würde der negative Anteil am Audiosignal in die Sättigung getrieben werden. Vor allem in diesem Anwendungsfall sind die CeraDioden auf Grund ihrer bidirektionalen Wirkung besonders attraktiv, da die alternativen bidirektionalen TVS-Dioden groß und teuer sind.

I²C Bus
Der CDS3C20GTA ist eine sehr gute Wahl, um eine mit dem Mikroprozessor verbundene SCL/SDA-Verbindung (Serieller Takt/Serielle Daten) zu schützen.

Drucktasten
Zum Schutz von Drucktasten-Verbindungen, wie Kanalwahlschalter, Lautstärkeregelung usw., die einen IC ansteuern 5.

Infrarotverbindung eines Vorverstärkers
Zum Schutz der Infrarotverbindung eines Vorverstärkers, der mit einem Mikroprozessor verbunden ist.

CeraDioden: Alle Vorteile im Überblick

CeraDioden werden im Gehäuse 0603 angeboten. Die meisten TVS-Gehäuse sind bis zu 3 mal größer. Vor allem in kleinen Endgeräten, wie zum Beispiel tragbaren DVD-Playern oder PDA, ist dieser Vorteil von besonderem Interesse.

Im Gegensatz zu TVS-Dioden arbeiten CeraDioden in beiden Richtungen. Will man diese Funktion auch mit TVSDioden erreichen, müssen entweder zwei Bauelemente oder ein deutlich teureres und größeres Zweifachelement in einem Gehäuse verwendet werden.

Verwendung der parasitären Kapazitäten für die HF-Entstörung
Die CeraDiode hat eine sehr stabile Kapazität, die weitgehend unbeeinflusst von Temperaturschwankungen und DC-Vorspannungen ist. Die parasitäre Kapazität selbst kann daher als Filter für hochfrequente Rauschanteile benutzt werden 7. Die CeraDiode kann dadurch eine Reihe an externen Bauelementen ersetzen, die ansonsten für den ESD-Schutz und die gleichzeitige Filterfunktion benötigt würden 6.

Schnellere Reaktionszeit
Durch die geringen Abmaße und die innere Struktur sind die parasitären Induktivitäten der CeraDiode sehr klein. Sie erreicht damit Reaktionszeiten
< 0,5 ns. Das ist völlig ausreichend, um einen zuverlässigen ESD-Schutz einer Schaltung zu gewährleisten. Demgegenüber erreichen TVS-Dioden durch die größeren Abmaße und die größeren parasitären Induktivitäten verursacht, lediglich eine Reaktionszeit von ca. 0,8 ns.

Kleine Leckströme
Die Leckströme der CeraDioden sind prinzipiell kleiner als bei TVS-Dioden. EPCOS bietet zudem bestimmte Typen mit besonders kleinen Leckströmen an. Dies sollte vor allem beim Schutz tragbarer Geräte berücksichtigt werden, um die Lebensdauer der Batterien zu erhöhen.

Vorteile bei der Temperaturabhängigkeit
Bis zu Temperaturen von 85 °C ändert sich das elektrische Verhalten der CeraDioden praktisch nicht. TVS-Dioden hingegen werden bereits ab 25 °C in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt.

Optimierung bei der Bestückung und Qualitätskosten
CeraDioden sind im Gegensatz zu TVS-Dioden bidirektionale und symmetrische Bauelemente. Bei der Bestückung von TVS-Dioden in der Produktion muss auf die Polarität natürlich Rücksicht genommen werden. Ein höherer Aufwand, eine größere Fehlerwahrscheinlichkeit durch falsche Orientierung und damit höhere Kosten sind die Folge.