Load Dump túlfeszültség elleni védekezés az autóelektronikában
A gépjárműelektronikai rendszerek ki vannak téve a különböző okokból fellépő túlfeszültség káros hatásának, ami komoly kihívást jelent mind az elektronikai tervezőknek, mind pedig az áramkörvédelmi alkatrészek gyártóinak.

 

Az ESD és „surge” jellegű tranziens túlfeszültségek mellett gyakran fellépő, időbeli lefolyása és az általa képvisent energia miatt talán legkritikusabb túlfeszültség típus, a „Load Dump” elleni védekezés lehetőségéről szól cikkünk.

Az autóelektronikában megjelenő túlfeszültségek típusai

Az elektronika hibátlan működését akadályozó gyakori tranziens feszültségek a táblázatban összefoglalt okokra vezethetők vissza. A fedélzeti informatikai, szórakoztató elektronikai, világítási, hajtásátviteli és biztonsági rendszerek tervezőinek az autóipari szabványoknak megfelelő védelmet kell biztosítaniuk ezek ellen a hatások ellen, a garanciális és a későbbi karbantartási költségek optimalizálásához. A gépjárművek elektronikai rendszereinek gyors túlfeszültség elleni védettségét diszkrét félvezetős kvalifikációs eljárások meghatározásával az AEC (Automotive Electronics Council) szabványosította.

 

Időbeli lefolyás Ok Feszültség amplitúdó Energiaszint Gyakoriság
400 ms Load Dump < 202 V > 10 J Néha
folyamatos Meghibásodott feszültség szabályzó 18 VB   Néha
<320 us Induktív terheléskapcsolás 80 V - 300 V < 1 J Gyakran
200 ms Generátor mágneses mezöjének leépülése -100 V - – 40 V < 1 J Minden leállításnál
90 ms Indítás, akku leválasztás < 75 V < 0.5 J Néha
1 ms Kábelköteg zavar < 200 V < 1 J Gyakran
<60 ns Elektrosztatikus kisülés <25 kV <10 mJ Néha

 

Az AEC-Q101 (a gépjárművek elektronikai rendszereinek kielégítő túlfeszültség elleni védettségét leíró szabvány) a következő túlfeszültségtípusokat különbözteti meg:

• Elektrosztatikus feltöltődés [ESD], emberi test (HBM) vagy gépi modell (MM) szerint

• Induktív terhelés kapcsolásakor keletkező túlfeszültség

• Load dump jellegű túlfeszültség, mely akkor keletkezik, amikor a generátor töltés közben hirtelen leválik a terhelésről.

Az elektrosztatikus kisülés (ESD) két különböző mértékben feltöltődött tárgy, leggyakrabban ember és fém közeledésekor, érintésekor fordul elő, látható szikra formájában, mikor a szigetelő dielektrikum átütési feszültségét meghaladja a potenciálkülönbség. Ez a feszültség általában 2-15 kV közötti (levegőben való kisülés), és a gyors lefolyás (ns) miatt viszonylagosan kis energia jellemzi. A „surge” jellegű túlfeszültség már sokkal hosszabb lefolyású, általában mikroszekundum nagyságrendű, nagy energiájú zavar, ami általában induktív terhelés kapcsolásakor jön létre.

 

 

A harmadik, egyben leghosszabb, akár néhány száz milliszekundum lefolyású tranziens az úgynevezett „Load dump”, mely a gépjármű elektronikában általában akkor keletkezik, amikor az akkumulátor és a generátor kapcsolata megszakad a töltési folyamat alatt. A jelszint akár 174 V is lehet és nem ritka a 400ms hosszúságú esemény sem.

Ilyen esetben az ábrán látható módon az autóelektronika továbbra is kapcsolatban marad a töltéssel, viszont az eredő impedancia hirtelen megváltozik, aminek hatására egy hosszú lefolyású, nagy energiájú tranziens szabadul a rendszerre. Az áram elérheti akár az 50 A-t is, a szabvány előírásainak megfelelően a hatékony védelemnek 10 ilyen percenként ismétlődő impulzust kell tudni kezelnie.

Az egyik lehetséges megoldás alapja, hogy a tranziens megjelenésekor a védelem meghatározott időre lekapcsolja a mögöttes elektronika bemenetéről a feszültséget, majd fix késleltetéssel - a tranziens feltételezett lefutása után - visszakapcsolja azt. Ilyen áramköröket kínál pl a Linear Technologies vagy a Maxim, általában 15-20 diszkrét elem felhasználására van szükség.

 

 

A gépjárműelektronika túlfeszültség elleni védelmének Protek által kínált módja a tápfeszültség félvezető tranziens szupresszor diódával való söntölése. A komponensgyártó kihívása ez esetben az, hogy egy olyan diszkrét komponenst alkosson, mely – az ISO 16750-1 előírásainak megfelelően - képes kezelni tíz egymást követő alkalommal, egyperces időközönként fellépő 350-400 ms hosszan tartó 30-60A nagyságú surge áramot. A gépjármű elektronikát tervező mérnökök megszokásból alacsonyabb teljesítményre specifikált SMCJ (1.5kW) vagy SMDJ (3kW) TVS eszközökkel operálnak, de a kérdés az, hogy ez vajon elegendően robosztus védelem a ma gépjárműjében is, ahol az elektronikai egységek száma megsokszorozódott.

A ProTek Devices PAM8S sorozata egyedülálló megoldást nyújt az ISO 16750-2 Load Dump teszt előírásainak megfelelő túlfeszültség védelemre, miközben a mai megoldásokhoz képest a lehető legalacsonyabb értéken (48.4 V-on) tartja a védendő vonalra jutó feszültséget. Megfelel az AEC-Q101 megbízhatósági szabványnak is. A sorozat 15 nagy-teljesítményű TVS mátrixból áll, ezzel lefedi az ipar igényeit a 14-43 V záróirányú stand-off feszültség-tartományon.

A RoHS és REACH elvárásainak megfelelő JEDEC DO-218AB tokozásban, Tj = 175°C átmeneti hőmérsékletű TVS eszközök kaptak helyet, melyek így tökéletesen megfelelnek a nagy megbízhatóságot igénylő autóipari feladatokra. Ez a diszkrét áramköri megoldás tökéletes Load Dump elleni védelmet nyújt és emellett a gyártási költségek csökkenése útján további előnyökkel bír a vezető IC gyártók korábban ismertetett védelmi módszereivel szemben, elsősorban a helytakarékosság, és az áramköri lapok valós bekerülési költségének minimalizálása útján.

 

 

Ez a diszkrét TVS diódás Load Dump elleni védelem jelentős előnyökkel bír:

• Egyszerűsített áramkör – a korábbi 16 komponens egy diszkrét alkatrésszel helyettesíthető.

• Alacsony indulási költségek – rövidebb BOM, alacsonyabb gyártásindítási költségek.

• Kisebb nyomtatott áramköri lap –DO218AB tokozás.

•Alacsonyabb szállítási határidő, mert csak egy terméket kell beszerezni.

• Kiváló MTBF kalkulálható: az egyetlen DO218AB tokozású alkatrész sokkal kevesebb hibalehetőséget jelent.

• A gyártási költségek a kevésbé bonyolult tesztállomás szükségessége miatt is csökkenthetők.

 

Cikkünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH közreműködésével készült. Szerzője Kiss Zoltán okleveles villamosmérnök, kelet-európai értékesítési vezető.

Értékesítési iroda: H-1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A.

E-mail: z.kiss@endrich.com

Web: www.endrich.com

További konzultációért és mintákért, adatlapokért keresse a szerzőt!

 

Új korszak a gyártásban
A mobilitás kiaknázása az automatizálás következő lépcsőfokát jelenti az ipar 4.0 megoldások terén. Az autonóm módon navigáló robotok gyorsak, pontosak és akár egy repülőgépet is elvisznek a hátukon.
Gyűjtögető kiberbűnözők a gyárban
Az ipari környezetek eredményes védelméhez a vállalatoknak nemcsak saját adataik, hálózatuk és rendszereik, hanem teljes IIoT-ökoszisztémájuk kiberbiztonságáról gondoskodniuk kell.
Hét kérdés 3D nyomtatás előtt - technológia és az alapanyag kiválasztása
Manapság számtalan, különféle 3D nyomtatási technológia és alapanyag közül választhatunk, és az eljárások száma idővel csak nőni fog.
Így vehetjük fel a versenyt az automatizációval
Az alacsonyabb iskolai végzettségűek tartanak leginkább a technológiai fejlődés hatásaitól, és éppen ők azok, akik a legkevesebb munkahelyi képzési lehetőséget kapják – állapítja meg a PwC 29 országban végzett kutatása.
Automatizált adatgyűjtés a termeléslogisztikában
Az elmúlt években a termelési folyamatokat is meghódították a hálózatba kapcsolt, egymással kommunikálni tudó eszközök: az ipari termelés területén is elindult egy technológiai forradalom.