ESD und Überspannungen an Laptops
mit Switch mode PSU´s ohne Erdanschluss
von Peter Krueger.
Ansicht
Links: Laptop-PSU, Gerätebuchse mit Erdanschlusskontakt. Der
DC-Ausgang GND liegt auf Erdpotenzial. Bei Berührung von z.B.
USB-GND wird die ESD-Kapazität (Elektro-Static-Discharge, human
body capacity) des Laptopbenutzers gegen Erde abgeleitet. Der Benutzer
kann dabei vor Berührung des Laptops locker bis zu 8kV und mehr
statisch aufgeladen sein. Ansicht Rechts, unpolarisierte PSU
Haushaltsgerätebuchse: Aus EMV Gründen ist der primäre
220V Eingang über einem Kondensator mit der sekundären
DC-Ausgangspannung gekoppelt. Die Kapazität beträgt je nach
Typ PSU-Typ zwischen 1nF bis 10nF. Bei Berührung des
angeschlossenen Laptop`s fließt durch die Kondensatorkopplung
eine permanenter AC-Strom. Die Hochspannung wird wegen des geringen
Stroms von dem Benutzer nicht wahrgenommen, kann allerdings zum
Zeitpunkt der Berührung ungeschützte
CMOS-Bausteine/Strukturen zerstören. Falls der Laptop als FPGA
oder uController Entwicklungsplattform eingesetzt werden soll, ist es
ratsam nur ein Laptop-PSU mit Gerätebuchse zu verwenden. Dabei
muss die Versorgungsspannung, Stromstärke und DC-Stecker zu dem
verwendeten Laptopmodell passen.
Laptop PSU-Schaltung von Fa.Power Integration INC.
Typischer,
in dieser Art Schaltungen eingesetzter Primär/Sekundär
Überbrückungskondensator, C12 2n2/1000V-DC. In diesem Falle
ist sogar eine Gerätesteckereingangsbuchse vorhanden, nur wurde
der Erdanschluss nicht verwendet und intern nicht angeschlossen!
Für z.B. an den Laptop angeschlossene und ungeschützte
Baugruppen mit einer CMOS-Struktur wie FPGA- und uController
Board´s kann bei Berührung der I/O-Port Pins durch den
Benutzer eine „Kill me quick“ Aktion auf die Baugruppe
ausgeübt werden. Habe selber durch Unachtsamkeit Baugruppen
geschossen, ist teilweise sehr teuer geworden.
Laptop-PSU
mit unpolarisierter Haushaltsgerätebuchse: Glimmlampe mit einem
150 k Serienwiderstand. (Die Glimmlampe wurde von mir aus einer
defekten Netzsteckerleiste mit Netzschalter vor der Entsorgung aus dem
Netzschalter ausgebaut, von mir gerettet.) Meine linke Hand
berührt dabei den Erdanschluss einer Schuko-Steckdosenleiste.
Laptop-PSU
mit unpolarisierter Haushaltsgerätebuchse: Messung mit
Phasenspannungsprüfer, meine linke Hand berührt dabei den
Erdanschluss einer Schuko-Steckdosenleiste.
Dieser Hinweis „ELECTRONIC SENSITIVE DEVICES“ gilt im Umgang mit CMOS IC´s immer!
Verwendung
eines Laptop-PSU mit unpolarisierter Haushaltsgerätebuchse: Bei an
den Laptop angeschlossener Mikrokontroller oder FPGA-Hardware
entlädt sich bei Erstberührung eine Spannung von bis zu +/-
310V über die I/O-Ports gegen GND. Die in dem IC eingebaute
bipolaren Schutzdioden sind eigentlich nur als Schutz während
Bestückungs- und Lötvorgängen der
Leiterplattenbestückung vorgesehen. Die Durchschaltzeit der
Schutzdioden ist mit etwa 4 ns relativ langsam. Überspannungen und
statische Entladungen können dagegen zum Zeitpunktes der
Berührung mit der Hardware sehr schnell sein, können sich im
ps-Bereich bewegen und CMOS-Strukturen auch mit eingebauten
Schutzdioden beschädigen oder zerstören. Als absoluter
Minimalschutz sollte deshalb immer ein > 1 k Widerstand in Serie mit
den I/O-Port´s geschaltet sein! Die I/O-Kapazität eines
ATMEL-uController´s beträgt nach Datenblatt etwa 10 pF. Mit
einem 1 k Vorwiderstand ergibt sich ein low pass Filterfunktion mit
einer Laufzeit von: R * C = 1 k * 10 pF = 10 ns. Die Diode hat jetzt
genug Zeit um Überspannungen und schnelle Transienten abzuleiten.
Eine Garantie auf diese Art Schutzschaltung wird von mir
ausgeschlossen. Ansicht: B.Kainka/ PING-PONG Platine auf einem von mir
entwickelten Interface-Bord mit aktiver I/O-Port Schutzschaltung. Wie
man sieht entladen sich 112V-AC über die I/O-Port
Schutzschaltungen nach Masse. Ohne Schutzschaltung wäre der
uController wahrscheinlich zerstört.
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