Ian Doyle - ProTek Devices, Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
Load dump jellegű túlfeszültség elleni védekezés az autóelektronikában
2016 május 18.
Összefoglalás :
Ahogy az mindenki számára közismert, napjainkban az elektronika elterjedése és integrálása az egyik legmeghatározóbb eleme az gépjárműipar fejlődési trendjeinek, hiszen a vezetési élmény növelése, a hajtási rendszerek hatásfokának maximálása és a biztonsági kockázatok csökkentése is mind olyan feladatok, melyeket csak elektronikai úton lehet hatékonyan megvalósítani. Beszéljünk akár az Elektronet korábbi számában nagy vonalakban áttekintett szabványos interfészek, az információs és szórakoztató fedélzeti rendszer, a LED alapú világítástechnikai alrendszerek, a parolást segítő, sávtartást biztosító, ráfutást megakadályozó funkciók, vagy a TPMS (automatikus guminyomást figyelő) rendszerről, ezek mind 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 előző ezzel a témával foglalkozó írásunkban nagy vonalakban áttekintettük a TVS diódákkal megvalósított ESD és „surge” tranziens túlfeszültség védelmi megoldásokat a szabványos autóipari buszrendszerek területén, jelen írásunkban pedig elmélyedünk az egyik legkritikusabb túlfeszültség típus, a „Load Dump” elleni védekezés lehetőségeiben.
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 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 mikro szekundum 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 az aktív töltési folyamat alatt. A jelszint akár 174 V is lehet és nem ritka a 400ms hosszúságú esemény sem.
A gépjármű elektronikatervezők jól ismerik az ISO 16750 szabványt, mely a közúti gépjárművek elektronikai berendezéseinek vizsgálatát írja le. Az ISO 16750-2 ennek kiegészítése, mely 2012 óta hatályos és a fenti gépjárművek számára potenciálisan veszélyes környezeti hatásokkal foglalkozik, valamint meghatározza a szükséges ellenőrzési teszteket és javaslatokat tesz az egységek beépítési helyére a járműben.
| Paragrafus | Leírás |
|---|---|
| 4.2 | DC tápfeszültség |
| 4.3 | Túlfeszültség |
| 4.4 | Rárakódó AC feszültség |
| 4.5 | Tápfeszültség lassú növekedése és csökkenése |
| 4.6 | Tápfeszültség megszűnése |
| 4.7 | Fordított polaritás |
| 4.8 | Földelés és tápfeszültség ofszet |
| 4.9 | Nyitott áramköri tesztek |
| 4.10 | Rövidzárvédelem |
| 4.11 | Maximálisan megengedhető feszültség |
| 4.12 | Szigetelési ellenállás |
Táblázat: ISO 16750-2 Közúti gépjárművek – tranziens túlfeszültség védelem vonatkozások
Load dump védelem szükségessége
A 4.6 fejezet, ami a tápfeszültség megszűnésével foglalkozik, tartalmazza a Load Dump túlfeszültségről szóló 4.6.4 bekezdést. A Load Dump akkor lép fel, ha a töltés közben a generátorra kapcsolt terhelés hirtelen megváltozik, azaz például az akkumulátor, vagy más egy másik jelentős terhelés lekapcsolódik. 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 rá a rendszerre.
Ábra: ISO 16750-2 Load Dump tranziens impulzus
A szabványban szereplő részletezést az alsó táblázatban találjuk, melyben látható, hogy a túlfeszültség mértéke akár 202 V és lefolyása 400 ms is lehet. Feltételezve, hogy a soros ellenállás értéke 1~2 Ohm, a fellépő surge-áram akár meghaladhatja az 50 Ampert 350 ms hosszan, ezzel a tervezőknek tisztában kell lenniük. A szabvány előírásainak való megfeleléshez 10 impulzusból álló percenként ismételt tesztet kell kiállni a reszetelhető Load Dump elleni védelemnek, úgy, hogy közben ekkora áramot kell tudni kezelni anélkül, hogy az ellenállás változna (drift) a vonalon.
Első lehetséges megoldás: kapcsolással
Az egyik lehetséges tápegység dizájn LM5088 (széles bemeneti feszültségű aszinkron buck konverter) IC-t használ, melyet az ábrán látható Load Dump elleni védelemmel láttak el. A működés alapja, hogy a tranziens megjelenésekor a védelem meghatározott időre lekapcsolja a DC-DC konverter és az egyéb mögöttes elektronika bemenetéről a feszültséget, majd fix késleltetéssel a tranziens feltételezett lefutása után visszakapcsolja azt. Ez a soros Load Dump védelem TL431A precíziós programozható feszültség referenciát használ a pontos leválasztáshoz.
Ábra: Texas Instruments Load Dump védelem megvalósítása
Az LM5088 maximális bemeneti feszültsége 75 V, ami szokványos Load Dump túlfeszültségek esetén elfogadható, de az e feletti feszültség megjelenésekor azt le kell kapcsolni a bemenetről.
Két másik lehetséges elrendezés a DC-DC konverter Load Dump elleni védelmére, - a Linear Technology és a Maxim Integrated megoldásai - az alábbi ábrákon láthatók:
Ábra: Linear Technology Load Dump védelmi megoldás
Ábra: Maxim Integrated Load Dump védelmi megoldás
Ha a fenti megoldásokat tekintjük, akkor egyértelmű, hogy a diszkrét komponensek száma miatt a bekerülési költség elég magas, emeli az árat továbbá a nyomtatott áramkör beültetése is.
Load dump elleni védelem söntöléssel
A gépjárműelektronika túlfeszültség elleni védelmének legalapvetőbb 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 a 350-400 ms hosszan tartó 30-60A nagyságú surge áramot tíz percen keresztül.
Ábra: Egyirányú TVS Dióda sönt üzemű túlfeszültség védelmi elrendezésben
A félvezető szilícium TVS diódák a Zener diódákhoz hasonló, de azokénál nagyobb keresztmetszetű P/N átmenettel rendelkeznek, melynek mérete arányos a kezelni kívánt teljesítménnyel. Ezek az eszközök olyan „clamping” eszközök, melyek alacsony impedanciás „Avalanche” P/N átmenetük megnyitásával a feszültségtüskéket a mögöttes elektronika által elviselhető mértékű szintre korlátozzák.
Ábra: Egyirányú TVS dióda karakterisztika
A TVS dióda U-I karakterisztikája nagyon hasonlít a Zener diódáéra, az alapvető különbség az, hogy míg a Zener dióda feszültség-stabilizálásra, addig a TVS dióda kifejezetten tranziens túlfeszültség elleni védelemre lett tervezve, hiszen a túláramot azonnal söntöli és a védendő áramkörre jutó maradék áramot elviselhető szintre korlátozza.
A gépjármű elektronikát tervező mérnökök megszokásból általában névleges soros Ri értéket (2 Ohm 12 V és 4 Ohm 24 V esetén), valamint alacsony td időbeli lefolyást választanak (40ms 12 V és 100ms 24 V esetén) a túlfeszültség védelem méretezésekor, a Load Dump tranziens hatására fellépő surge áram korlátozására. Sok esetben 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
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2016/4 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2016. (25. évf.) 4. sz. 18-21. old. |
| 2 | Elektronet online | Load Dump jellegű túlfeszültség elleni védekezés az autóelektronikában |
| 3 | English version | Load dump protection with PROTEK TVS diodes in automotive electronics |
| 4 | TechStory M2M | Load Dump túlfeszültség elleni védekezés az autóelektronikában |