A hatékonyságnövelő és kényelmi funkciók biztosításához a tervezőmérnökök mind több, szabványos buszrendszereken keresztül egymással kommunikáló, intelligens elektronikai egységet terveznek az új járművekbe, ami az áramkörvédelemre szakosodott komponensgyártóknak is nagy kihívást jelent, mert az eszközök túlfeszültség elleni védelme tudja csak biztosítani a garanciális javítási költségek minimális szinten tartását. Tehát a megfelelő áramkörvédelem nagyon fontos szempont az autóelektronikai fejlesztésben. Az ESD és „surge” jellegű tranziens túlfeszültségek elleni védekezés nagyon fontos feladat, emellett időbeli lefolyása és az általa képviselt energia miatt talán a legkritikusabb túlfeszültségtípus, a „Load Dump” elleni védekezés lehetőségeiről is szót kell ejteni.

Az autóelektronikában megjelenő túlfeszültségek típusai

Az elektronika hibátlan működését akadályozó gyakori tranziens feszültségek a táblázatban összefoglalt okokra vezethetők vissza. A fedélzeti informatikai, szórakoztatóelektronikai, 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.

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 400 ms 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.

TVSD eszközök

A gépjármű-elektronika túlfeszültség elleni védelmének Protek által kínált módja a tápfeszültség félvezető tranziens szupresszor diódával való söntölése. A félvezető dióda alapú Avalanche TVS (transient voltage suppressor) eszközök P/N átmenete a Zener diódákéhoz hasonlít, azonban nagyobb keresztmetszettel rendelkezik, melynek mérete arányos a kezelni kívánt teljesítménnyel.

Ahhoz, hogy hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek, a mérnökök választhatnak nagyobb méretű tokozást, mely jobban disszipálja a keletkező hőt, mert csip mérettől egészen nagy modulokig találhatunk TVS diódát a gyártó kínálatában. Ugyan a TVS dióda esetén kisebb hibaáram engedhető meg, mint a fém-oxid varisztoroknál, a maximális feszültség és áramértékek több eszköz soros, vagy párhuzamos kapcsolásával tetszőlegesen növelhető.

Egy korszerű szupresszor dióda lehetővé teszi a viszonylag nagy surge jellegű áramok elvezetését, például a Protek Devices 2700SM78CA terméke 18 kA maximális áramot visel el, egy 12 V-os névleges feszültségű 600 W-os dióda 8/20 μs surge-kapacitása pedig 140 A. A TVS dióda meghibásodásakor rövidzárba kerül. A félvezetős technológia miatt működése rendkívül gyors és pontos, mert a válaszidő az elektronok sebességével arányos. Mivel a helyesen megválasztott túlfeszültségvédő normál üzemi körülmények közt láthatatlan kell hogy legyen, az esetleges nagy adatátviteli frekvenciákon ultra alacsony – pF nagyságrendű – kapacitású TVS diódákra van szükség, ilyen például a GBLC08CLC, melynek vonali kapacitása mindössze 0,4 pF.

A szupresszor dióda unidirekcionális szervezésben DC vonalakhoz éppúgy használható, mint bidirekcionális változatokban AC alkalmazásokhoz. Szemben a fém-oxid varisztorokkal (MOV), melyek csak kezdetben, az első néhány megszólalásig mutatnak kielégítő szivárgási viselkedést, a TVSD nem öregszik, a szivárgási áram karakterisztikája kiváló marad az idő előrehaladtával is. Válaszideje a nanoszekundum nagyságrendbe esik, és működését alacsony clampingfaktor (~1,33) jellemzi.

A Protek jármű-elektronikai alkatrészvonala ultra alacsony kapacitású TVS mátrixokból áll, és szinte minden feladatra találunk kész megoldást, legyen az információs és szórakoztatóelektronika, világítási és biztonsági elektronika, vagy a hajtásrendszer vezérlését végző alrendszer. A komponensgyártó kihívása Load Dump jellegű túlfeszültség elleni védekezéskor 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 30–60 A nagyságú surge áramot.

A gépjármű-elektronikát tervező mérnökök megszokásból alacsonyabb teljesítményre specifikált SMCJ (1,5 kW) vagy SMDJ (3 kW) TVS eszközökkel operálnak, de a kérdés az, hogy ez vajon elegendően robusztus védelem-e 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 feszültségtartományon.

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.