ESD-Polaritäts-Terminologie, wie sie auf dieser Website verwendet wird

Der Begriff “positives-ESD” bedeutet hier elektrostatische Entladung (ESD), deren Spannungs-Polarität dazu neigt in Durchlassrichung eine Laserdiode zu durchströmen. Negatives-ESD, meint ein ESD dessen Spannungs-Polarität dazu neigt in Sperrvorspannungsrichtung eine Laserdiode zu durchfließen.

Besprechung von ESD Ansätzen

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Besprechung von ESD Ansätzen

Switch, relay oder MOSFET als Schutz vor ESD

image002-5Die Abbildung rechts zeigt einen anderen Ansatz der häufig verwendet wird, um eine Laserdiode vor ESD zu schützen. Bei diesem Ansatz wird ein Schalter verwendet und an den Klemmen der Laserdiode platziert.

Dieser Schalter wird häufig als Relay implementiert, aber es sind auch Implementierungen bekannt, in denen dieser ‘Schalter’ als ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit Verarmungsschicht umgesetzt wird. Die Idee ist, dass dieser Schalter normalerweise geschlossen ist; d.h. wenn keine Strom durch die Laser-Diode oder die Laserdioden-Treiber-Schaltung fließt, schließt der Schalter die Klemmen der Laserdiode kurz, so dass ein ESD eher durch den Schalter als durch die Laserdiode fließt.

Eine ESD-Schutz-Vorrichtung, die wirksam ist, wenn keine Energie auf das System angewendet wird, ist in der Tat wünschenswert, weil ESD Ereignisse sehr oft vorkommen, während das System ausgeschaltet ist.

Dieser Switch-Ansatz hat jedoch einige wichtige Nachteile, die gesondert für den Fall des Relais und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor mit Verarmungsschicht behandelt werden.

Relais Nachteile

Wie besprochen, die Impedanz jeder passive eingesetzten Technik muss weniger als 44 Milliohm betragen, um wirksam zu verhindern dass ein 15.000-Volt-ESD-Ereignis mehr als die typische 2-Volt Höchstspannung in Sperrrichtung und ähnliche Durchlassbeschränkungen einer typischen Low-Power-Laser-diode übersteigt. Wenn dieser Schalter als ein Relais realisiert ist, müssen während der gesamten Lebensdauer des Relais der Kontaktwiderstand, zusammen mit PCB Leitungen und andere Verbindungen, die von den Relais zu der Laserdiode geführt werden, gemeinsam weniger als 44 Milliohm haben. Da Relais im Laufe ihrer Lebensdauer immer wieder öffnen und schließen, nutzen sich ihre Kontakte ab und es ist möglich, dass wenn das Relay altert und so der Kontaktwiderstand und die dazwischen liegenden Widerstände 44 Milliohm überschreiten.

Darüber hinaus kann während eines ESD-Ereignisses, in dem das Relais geschlossen ist, bis zu 50 Ampere oder mehr über die Relaiskontakte fließen. Wiederholte ESD-Ereignisse können zu Fraßkorrosion an den Relaiskontakten und letztendlich zum Zusammenbruch des Relais führen.

Darüber hinaus wird während eines ESD-Ereignisses ein magnetisches Feld um die relativ langen Leitungen innerhalb der Relais -Geometrie erzeugt, zusammen mit den Kontakten selbst. Dieses Magnetfeld könnte auf benachbarte PCB-Leitungen und die Relais-Spule übersprechen und damit effektiv das ESD auf andere Teile der Schaltung übertragen, die auch für ESD empfindlich sein können. Somit, selbst wenn die Laserdiode an sich geschützt wurde, kann sich das ESD zerstörerisch für die Laser-Dioden-Treiberschaltung erweisen.

MOSFET Nachteile

Wenn ein MOSFET mit Verarmungsschicht als Schalter verwendet wird und wenn der Strom ausgeschaltet ist, sind das Gate und die Source-Klemmen auf dem gleichen (null) Spannungspotential. Dadurch wird ein MOSFET mit Verarmungsschicht ‘eingeschaltet’ und hilft damit das ESD an die Klemmen des MOSFETs anstatt zu der Laserdiode zu leiten. Leider ist der typische ON-Widerstand eines MOSFET mit Verarmungsschicht im Bereich von mehreren Ohm.

Eine beispielhaftes Bauteil hat ein RDS (on) von 6 Ohm. Wie besprochen, müsste aber dieser Widerstand weniger als 44 Milliohm haben, um eine typische Laserdiode vor einem 15.000-Volt-ESD-Ereignis zu schützen. Daher wäre ein MOSFET mit Verarmungsschicht kein effektiver ESD-Schutz bei 15.000-Volt-ESD-Ereignissen.

“Switch” Nachteile

Unabhängig ob der ‘Schalter’ als ein Relais, MOSFET oder ein anderes Bauteil implementiert ist, gibt es einen weiteren Nachteil dieses Ansatzes. Der Switch-Ansatz ist allgemein anwendbar für Systeme die ausgeschaltet sind. Sobald die Stromzufuhr eingeschaltet wird, ist der Schalter geöffnet und die Laserdiode kann in Betrieb genommen werden. Wenn ein ESD-Ereignis geschieht, während die Laserdiode arbeitet und ‘lasert’, hat der Schalter keine Auswirkungen und schützt die Laserdiode nicht vor einem ESD.