Produkt-ÜbersichtWas ist der Unterschied zwischen Zener/TVS-Dioden und Varistoren? Vier Vergleichsaspekte, die im Hinblick auf die Nutzung zu berücksichtigen sind

Chip Varistors
Chip-Varistoren und TVS-Dioden werden häufig als Überspannungsschutz-Bauteile verwendet.
Ihr struktureller Aufbau und ihre Herstellungsmethoden sind völlig unterschiedlich, aber sie bieten ähnliche Eigenschaften hinsichtlich des Schutzes vor statischer Elektrizität.
Sie können daher im Allgemeinen in einer Schaltung austauschbar verwendet werden, aber es gibt Fälle, in denen Chip-Varistoren als nicht geeignet angesehen werden.
Aus historischen Gründen sind viele der in Katalogen und Datenblättern angegebenen Spezifikationen unterschiedlich, was einen Vergleich der Eigenschaften allein auf der Grundlage dieser Daten - anders als bei Kondensatoren und anderen allgemeinen Bauteilen - schwierig macht.
Ziel dieses Artikels ist es, den Unterschied zwischen Varistoren und Dioden zu klären und Daten vorzustellen, die zum Vergleich der beiden verwendet werden können.

Geschichte

1968 entwickelte Zinkoxid-Varistoren wurden zum Schutz von Dioden vor Blitzschlag eingesetzt. Dioden hingegen wurden hauptsächlich zur Gleichrichtung verwendet, so dass ihr Anwendungsbereich unterschiedlich war. Aus diesem Grund sind viele in Katalogen und Datenblättern aufgeführte Artikel unterschiedlich, was einen direkten Vergleich erschwert. Die geltenden Normen des Automotive Electronics Council unterscheiden sich ebenfalls erheblich, wobei AEC-Q101 für TVS-Dioden und AEC-Q200 für Varistoren verwendet wird.

Figure 1 Geschichte

Unterschiede zwischen Chip-Varistoren und TVS-Dioden

Struktur

Chip-Varistoren sind keramische Halbleiterprodukte, die hauptsächlich auf Zinkoxid basieren. Wie die Abbildung unten zeigt, haben Chip-Varistoren eine laminierte Struktur, wobei Durchbruchspannung und Kapazität durch die Anzahl der Schichten und das Zwischenschichtdesign gesteuert werden. TVS-Dioden hingegen sind eine Kombination aus P- und N-Halbleitern. Sie sind ESD-Schutzbauteile auf Siliziumbasis. Einige Dioden verwenden auch Au-Draht usw.

Figure 2 Chip-Varistor
Figure 3 TVS-Diode

I-V-Kurve

Der Widerstandswert sowohl von Chip-Varistoren als auch von TVS-Dioden ändert sich stark in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Chip-Varistoren ermöglichen einen bidirektionalen elektrostatischen Schutz. Früher waren TVS-Dioden fast ausschließlich unidirektional, aber es gibt jetzt auch eine zunehmende Anzahl von bidirektionalen TVS-Dioden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass es Fälle gibt, in denen das Verhalten je nach Richtung unterschiedlich ist.

Figure 4 I-V-Kurve

Reaktionsgeschwindigkeit auf Überspannung

Ausgehend von Erinnerungen an Scheibenvaristoren und Ähnlichem in der Frühzeit der Varistoren hört man oft, dass die Reaktion der Varistoren langsam ist. Wie die folgende Grafik zeigt, ist die Ansprechgeschwindigkeit auf Überspannung bei Chip-Varistoren und TVS-Dioden jedoch ähnlich hoch. Wenn eine HBM-Spannung von +8kV gemäß IEC 61000-4-2 angelegt wird, wird der Spitzenwert innerhalb von 1 ns erreicht, und die Spannung am geschützten Bauteil ist nach 400 ns auf etwa null abgefallen.

Figure 5 Reaktionsgeschwindigkeit auf Überspannung

Kapazität

Der Kapazitätsbereich von Varistoren und TVS-Dioden unterscheidet sich erheblich. Da Chip-Varistoren eine Mehrschichtstruktur haben, kann die Kapazität durch Erhöhung der Anzahl der internen Elektrodenschichten erhöht werden. Beim Vergleich der Größen von EIA 0805 und darunter liegt der Unterschied in der höchsten Kapazität nahe dem Faktor 100, wie unten dargestellt. In einigen Leitungen, die eine parallele MLCC-Konfiguration erfordern, ist es daher möglicherweise möglich, einen Ein-Chip-Varistor zu verwenden.

Figure 6 Kapazität

Andere Merkmale

In Bezug auf verschiedene andere Eigenschaften wie thermische Eigenschaften und Einfügungsdämpfung gibt es leichte Unterschiede zwischen Chip-Varistoren und TVS-Dioden, aber ein Vergleich bei gleichen Spezifikationen wird ein ähnliches Verhalten zeigen. Da die Datenblätter die jeweilige Kurve zeigen, ist ein Vergleich mit TVS-Dioden möglich.

Figure 7 Andere Merkmale

Vier Hauptaspekte für den Einsatz von Chip-Varistoren und TVS-Dioden in Controller Area Networks (CAN)

In einem Controller Area Network (CAN) werden antistatische Komponenten zum Schutz des CAN-Transceivers verwendet. Im Folgenden werden einige Punkte beschrieben, die bei der Auswahl von Komponenten zur Verwendung auf CAN-Leitungen zu beachten sind.

Maximal zulässige Schaltungsspannung

In einem CAN mit serieller Bustopologie werden die CANH- und CANL-Signale verwendet, um den Zustand der dominanten und rezessiven Ebene zu spezifizieren. Wenn die CANH-Leitung dominant ist, liegt sie bei etwa 3,5 V. Das elektrostatische Schutzbauteil muss bei dieser Spannung als Isolator fungieren. Daher muss in diesem Fall ein Bauteil mit einer maximal zulässigen Schaltungsspannung von 3,5 V oder höher gewählt werden.

Da der Leckstrom des elektrostatischen Schutzbauteils temperaturabhängig ist, muss auch die Umgebungstemperatur in der tatsächlichen Einsatzumgebung berücksichtigt werden. Die folgende Grafik zeigt die thermischen Eigenschaften des Leckstroms in einem repräsentativen Chip-Varistor und einer TVS-Diode. Der Leckstrom steigt zu höheren Temperaturen hin an, aber er ist so ausgelegt, dass er 50 µA nicht übersteigt.

Figure 8 Thermischen Eigenschaften des Leckstroms

Kapazität

Die maximale Übertragungsrate in einem CAN wird 1 Mbps betragen. Elektrostatische Schutzkomponenten, die parallel zur Schaltung eingefügt werden, sollten die Kommunikation bei dieser Geschwindigkeit nicht behindern. Daher müssen Komponenten mit geringer Einfügungsdämpfung bei 1 Mbps (= 0,5 MHz) ausgewählt werden. Die folgende Grafik zeigt die Einfügedämpfung für einen Chip-Varistor und zwei TVS-Dioden. Es ist zu erkennen, dass jede dieser Dioden eingefügt werden kann, ohne die CAN-Kommunikation zu behindern.

Figure 9 Einfügedämpfung für einen Chip-Varistor und zwei TVS-Dioden

Überspannungsschutzfähigkeit

Elektrostatische Schutzkomponenten dienen dazu, Schäden an ICs und peripheren Komponenten, die in einem Satz verwendet werden, zu verhindern. Als Beispiel sind die ESD-Beständigkeitsbewertungen für einen CAN-Transceiver für Kraftfahrzeuge unten dargestellt.

Table 1 ESD Durabitily of CAN Tranceiver for each IC
Tranceiver Vender Transfer rate Vesd HBM
CANH, L
SPLIT Other
A Company A 1Mbps ±12kV ±12kV ±12kV
B Company B 1Mbps ±12kV ±10kV ±4kV
C Company C 1Mbps ±6kV ±6kV ±4kV

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass der CAN-Transceiver zerstört werden kann, wenn eine Spannung von 4 kV oder höher angelegt wird. Die folgenden TLP-Daten zeigen, dass beim Testen mit dem Äquivalent von 4 kV ESD ein Strom in der Größenordnung von 8 A im CAN-Transceiver fließt.

Figure 10 TLP-Daten

Wenn kein elektrostatisches Schutzbauteil verwendet wird, fließt im CAN-Transceiver bei einer elektrostatischen Entladung von 4 kV ein Strom von 8 A und zerstört ihn damit. Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, fällt der Widerstandswert des Varistors oder der TVS-Diode beim Anlegen einer Überspannung schnell auf unter 2 Ohm ab.

Figure 11 TLP-Daten

Da der größte Teil des durch die ESD erzeugten Stroms zum elektrostatischen Schutzbauteil fließt, ist der CAN-Transceiver geschützt. Mithilfe von TLP-Daten ist es möglich, Simulationen in der Entwurfsphase durchzuführen, um den Strom zu verifizieren, der den CAN-Transceiver erreicht. Dies ist nur ein einfaches Beispiel, aber durch die Kenntnis der Eigenschaften anderer elektronischer Komponenten ist es möglich, die ESD-Beständigkeit vor dem eigentlichen Test zu überprüfen.

ESD-Beständigkeit

In vielen Fällen muss die ESD-Beständigkeit als ein Satz bestimmt werden, und die gleiche Leistung wird von den elektrostatischen Schutzkomponenten verlangt. Die ESD-Beständigkeit für ein Produkt kann im Datenblatt überprüft werden.

Eigenschaften von TDK-Chip-Varistoren - ESD-Beständigkeit gegen wiederholte ESD-Belastungen

TDer Widerstand eines Varistors gegen wiederholte Überspannungen hängt wesentlich von der Wahl des Materialdesigns ab, wie z.B. von der Art und Zusammensetzung der Zusätze zum Hauptmaterial Zinkoxid (ZnO). Chip-Varistoren von TDK profitieren von proprietären Materialien, die unter Nutzung der Materialtechnologie des Unternehmens entwickelt wurden. Dadurch weisen die Varistoren eine hervorragende Beständigkeit gegen wiederholte Überspannungen auf. TDK bietet auch Produkte an, die Zenerdioden in Anwendungen mit häufigem Ein- und Ausschalten ersetzen können, wie z.B. bei Magnetventilen und Schrittmotoren. Einzelheiten finden Sie im Artikel "Chip-Varistoren, die bei der Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Überspannungen hervorragend funktionieren"

Merkmale von TDK-Chip-Varistoren - Miniaturisierte Abmessungen

TDK hat miniaturisierte Varistoren mit einem Formfaktor von EIA 01005 (0,4 x 0,2 mm) realisiert. Das Unternehmen stellt auch die kleinste AEC-Q200-konforme EIA 0402 (1,0 x 0,5 mm) Größe der Branche für Automobilanwendungen in Serie her.

Figure 12 Merkmale von TDK-Chip-Varistoren - Miniaturisierte Abmessungen

Veröffentlichung von Datenblättern im Web

Die verschiedenen oben genannten Daten stammen aus Datenblättern, die TDK im Internet zur Verfügung stellt. Damit stehen alle Daten zur Verfügung, die erforderlich sind, um Vergleiche mit TVS-Dioden einfach durchzuführen.