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!

 

A Siemens sikeres nagyjavítást végzett a Dunamenti Erőműben
A vezérlőrendszer modernizálása a legújabb SPPA-T3000 verzió alkalmazásával; a modernizálás komplett magyar műszaki projektcsapattal, duális képzésben részt vevő mérnökhallgatók bevonásával valósult meg.
Nitrogénüzemet épít a Messer a MOL vegyipari óriásberuházásában
Évente 70 milliárd forinttal növelheti majd Magyarország GDP-jét a MOL-csoport új poliol üzeme, amelynek megépítéséhez a Messer Hungarogáz Kft. is hozzájárul.
Digitális karbantartás menedzsment
A megelőző karbantartás egy időigényes folyamat, amelynek dokumentálása – meglepő módon – javarészt még mindig papíralapon történik.
Helyi 5G-hálózatokat hoz létre a Bosch
A jövő gyárainak megteremtésében úttörő szerepet játszanak a saját, helyi 5G-hálózatok. Mobil robotok, önvezető járművek és okosszemüvegek segítik a dolgozókat.
A legkisebb teljesítménymenedzsment IC
Az NJW4750 az európai piacon elérhető egyik legkisebb teljesítménymenedzser integrált áramkör elérhető az Endrich kínálatában.