Kiss Zoltán - Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Elektronikai témájú publikációk gyűjteménye 6.

Ian Doyle marketing menedzser - ProTek Devices / Kiss Zoltán Export igazgató - Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Az autóelektronikában használt interfészek adatvonalainak és tápellátásának félvezető alapú túlfeszültségvédelme

2019 május 09.

Összefoglalás :

Az áramkörvédelem az elektronikus eszközök működését normális üzemi körülmények között nem befolyásolja, viszont rendkívül fontos szerepe van az élettartam, az üzembiztonság területén és a szabványoknak való megfelelőség biztosítására. Az ESD, EFT, Surge és a „Load Dump” jellegű tranziensek olyan potenciális fenyegetést jelentenek az autóelektronikai eszközök I/O portjai számára, ami elleni védekezésről az áramkör tervezésekor feltétlenül gondoskodni kell, mindemellett az alkalmazott megoldás nem befolyásolhatja az átviteli sebességet. A tranziens szupresszor diódával való védekezés alapjait áttekintve és néhány példán keresztül szeretnénk bemutatni ezen eszközök alkalmazási lehetőségeit az autóelektronikában.

Túlfeszültség elleni védelem TVS diódával

Az elektronikai eszközök a külvilág felé I/O portokon keresztül kommunikálnak, melyek adatvonalai és tápellátásuk megfelelő védelem hiányában potenciális támadási pontjai az elektrosztatikus kisülés (ESD), az elektronikus gyors tranziens (EFT), a surge és a „load dump” jellegű túlfeszültségek számára. Az alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök nem befolyásolhatják a port adatátviteli képességét, ami nagy sebességen igen nehéz feladat. A tradicionális, egyszerű kondenzátoros védelem, és nagy kapacitással rendelkező (nagy méretű) túlfeszültségvédő eszközök a nagy frekvencia miatt nem használhatók, mert az adatvonalak parazita kapacitását minimális szinten kell tartani, ellenkező esetben a védelmi eszköz kapacitív impedanciája, ami a frekvencia reciprokával arányos ( ZC~1/fC) olyan kis értékű lesz, hogy az jelvesztéshez vezetne. Ezért olyan kisméretű, kis kapacitású, de nagy energia elnyerésére alkalmas és pontos megszólalási feszültségű eszköz alkalmazására van szükség, ami egyaránt alkalmas a különböző túlfeszültség típusok vonatkozásában a szabványok előírásainak betartatására és emellett a NYÁK infrastruktúra költségét is alacsony szinten tartja.

Egy népszerű megoldás erre a TVS dióda használata. 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 (clamping voltage).

1.ábra: A TVS dióda feszültségkorlátozó eszköz

2.ábra: Egyirányú TVS dióda karakterisztika

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 túlterhelést elviselhető szintre korlátozza. Ahhoz, hogy hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek a védőeszköz számára, a mérnökök választhatnak nagyobb méretű tokozást, mely jobban disszipálja a keletkező hőt, mert chip mérettől egészen nagy modulokig találhatunk TVS diódát a gyártók kínálatában. Ugyan a TVS dióda maximális teljesítménye elmarad a fém-oxid varisztoroknál elérhető kiemelkedő értékektől, a maximális feszültség és áramértékek több eszköz soros, vagy párhuzamos kapcsolásával tetszőlegesen növelhető, miközben a MOV-al ellentétben pontosan beállítható a megszólalási feszültség és korlátlanul ismételhető megszólalásszám jellemzi. A mai TVS dióda lehetővé teszi a viszonylag nagy surge jellegű áramok elvezetését is. A TVS dióda meghibásodásakor rövidzárba kerül. A félvezetős technológia miatt működése rendkívül gyors és precíz, mert a válaszidő az elektronok sebességével arányos.

Mivel a helyesen megválasztott túlfeszültség védő 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 ProTek Devices GBLC08CLC eszköze, melynek vonali kapacitása mindössze 0.4 pF. A szupresszor dióda unidirekcionális szervezésben DC vonalakhoz éppúgy használható, mint bidirekcionális változatokban váltakozó áramú applikációkhoz. 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 előrehaladtávalq is. Válaszideje a nano-szekundum nagyságrendbe esik, és működését alacsony clamping faktor (~1.33) jellemzi.

Túlfeszültségtípusok és szabványok ESD, Surge, Load Dump

Az IEC 61000-4-2 szabvány definiálja az emberi test által keltett ESD esemény lefolyását, és feszültség tekintetében négy szintet különböztet meg, egészen 8kV kontakt és 15kV levegő kisülés értékig. A szabvány célja, hogy a tervezőket segítse az elegendő mértékű védelem kiválasztásában. Az emberi test model (Human Body Model) alapján definiált tranziens lefolyása az ábra szerinti, a felfutás 1 ns alatt és a lefutás 60 ns körüli időtartamot vesz igénybe.

3.ábra: ESD jelalak, a tranziens időbeli lefolyása ns nagyságrendű

Sok esetben találkozunk azzal a jelenséggel, hogy a tervezőmérnök nem gondoskodik a teljes megoldásra vonatkozó - az előírt szabványnak megfelelő - ESD védelemről, mert az gondolja, hogy elegendő a kiválasztott IC adatlapja szerinti beépített védelem, további védekezésre nincsen szükség. A félvezetőgyártók gyakran csak 1-es szintű (Level 1) védelmet (1-2 kV) építenek be az eszközeikbe a gyártás során fellépő zavarok hatásának minimalizálására, azonban a valós körülmények közt fellépő ESD akár 15kV is lehet, ezért a beépített védelmet csak másodlagos szintnek szabad tekinteni és szükség van egy primer védelemre is 8kV kontakt és 15kV levegő kisülés impulzusok ellen.

Az ESD védelem kiválasztásánál figyelembe kell venni a következőket:

4.ábra: Surge jellegű tranziens jelalak 8/20 us felfutás/lefutás idő

A surge az ESD-nél nagyságrendekkel hosszabb (mikro szekundum nagyságrendű) és nagyobb energiájú zavar, melyet általában villámütés, vagy kapcsolási tranziens okozhat. Általában a hatékony védekezéshez kétszintű védelemre van szükség, a primer rendszer „crowbar” jellegű túlfeszültségvédelmet tartalmaz, ezek az eszközök az energia nagy részét magukon keresztül söntölik a föld felé, még a második vonalban „clamping” eszközökkel lehet védekezni az átjutó villám vagy kapcsolás okozta túlfeszültség ellen. Ebben a második vonalban van létjogosultsága a TVS alapú védelmeknek. A második vonalban használt TVSD a gyors válaszideje és az alacsony „clamping” feszültsége miatt hatékonyan csökkenti a védendő készülék által elviselhető szintre a primer védelmen átjutó tranzienst, ezzel kompenzálva a GDT nagy megszólalási feszültségküszöbjét. A vonatkozó normák és előírások szerint a másodlagos védelem akár 1500 V feszültséget és 100A (8/20 s, 10/1000 s és 10/700 s hullámformájú) „surge” áramot kell, hogy elviseljen.

A harmadik kritikus túlfeszültség fajta - az úgynevezett Load dump - általában úgy keletkezik, hogy nagy induktivitású forrásról a terhelést hirtelen lekapcsolják. Jellemző esete ennek, amikor a gépjármű akkumulátorát véletlenül hirtelen lekapcsoljuk a generátorról, miközben az töltődik. A tekercsekben felhalmozódott energia hosszú, általában milliszekundum nagyságrendű tranziens túlfeszültséget okoz, melyet a felfutás után lassú lefutás és nagy energia jellemez. A jelszint elérheti a 174 V-ot és akár 400 ms is lehet a lefutás ideje.

5.ábra: Load dump jellegű tranziens, 100 ms nagyságrendű lefolyás

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. A szabványban foglaltak szerint 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 Load Dump elleni védelemnek, úgy, hogy közben ekkora áramot kell tudni kezelni anélkül, hogy az ellenállás változna (drift) a vonalon. A védekezés egyik lehetséges módja az automatikus kapcsolás, 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 általában precíziós programozható feszültség referenciát használ a pontos leválasztáshoz. Egy ilyen elektronika általában számos komponensből áll és bonyolult felépítésű. Ha lenne olyan védelem, amely a felszabaduló energiát képes elnyelni, akkor lényegesen egyszerűsödne a feladat.

TITLE

A ProTek Devices a tápfeszültség félvezető tranziens szupresszor diódával való söntölése útján ad választ erre a kihívásra, olyan diszkrét komponenst alkotott, 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.

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

6.ábra: A járműelektronikában előforduló tranziensek

Adatvonalak túlfeszültség védelme

A tápegységekben megtalálható nagyszámú induktív és kapacitív passzív komponens jelenléte miatt ezek az eszközök általában immunisak az ESD-re, a tápvonalakat surge és load dump ellen szokták védeni. Az adatvonalakon alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök kapacitása azonban komoly problémát jelent magas baud rate esetén. A soros ellenállás a terhelés kapacitásával együtt alkotja ez első szűrőt, mely lassítja a jel fel és lefutását. A hatásos ellenállás csökkentése lehetséges a réz keresztmetszetek növelésével, de a kapacitás csökkentése jelenti az igazi megoldást a nagy sebességek eléréséhez.

CAN busz védelme TVS diódával

A CAN-Busz egy üzenetalapú soros buszrendszer, mely elsősorban járműipari alkalmazásokhoz került kifejlesztésre. Adatátviteli sebessége elérheti az 1Mbit/s értéket, általában 40m alatti hosszúságú fizikai hálózaton. A ProTEK integrált TVS diódás túlfeszültségvédelmi megoldást fejlesztett ki ESD és a kapcsolási nagyfeszültségű tranziensek elleni védekezésre. A PAM1CAN eszköz mindkét adatvonal védelmét ellátja.

Jellemzői:

A 15V-os és az 5V-os single line CAN busz védelmére a 60 pF kapacitású, 17A surge áram kezelését lehetővé tévő PAM10ST2315C és az ultra kis (0.6pF) kapacitással rendelkező PAM04ST430502 eszközök elérhetők, melyek SOT-23 és SOT-543 tokozásban 8/15kV ESD, 40A EFT védelmet adnak.

TITLE

TITLE

TITLE

FlexRay busz védelme TVS diódával

A FlexRay-Busz két egymástól független csatornája nagyfokú hibatűréssel rendelkező nagy sebességű, szinkron és aszinkron átviteli módot is támogató rendszert alkot, mely csatornánként 10Mb/s sávszélességgel rendelkezik, a CAN busz sebessegének tízszeresét (két csatorna esetén hússzorosát) elérő sebességgel kommunikál. Védekezni általában ESD és rövidzár ellen szükséges.

8.ábra: PAM1FLEX FLEXRAY busz túlfeszültség elleni védelmére

Jellemzői :

LIN busz védelme TVS diódával

A LIN busz a járműelektronikában az egyes részrendszerek közti soros hálózati kommunikációra használt egyvezetékes max 40 méteres és 19,2 vagy 20 kbit/sec sebességű master – slave hálózat ( max 16 pont) Védekezni általában ESD és rövidzár ellen szükséges.

Jellemzői:

9.ábra: PAM1LIN/PAM2LIN LIN busz túlfeszültség elleni védelmére

Tápvonalak védelme

Tápvonalak védelme esetén nincs szükség extrém kis vonali kapacitásértékű TVS diódák alkalmazására, itt inkább a nagy energiájú és esetenként hosszú lefolyású tranziensek jelentik a kihívást a komponesfejlesztők számára.

Lítium-Ion akkumulátoros rendszerek védelme TVS diódával

Az intelligens lítuim-ion akkumulátor-rendszerek túláramvédelmére és a vezérlő chip ESD védelmére fejlesztette ki a ProTEK a VSMF05LC és a PLRO1206 eszközöket. Mivel eredendően üzembeni csatlakoztatás jellemzi az ilyen rendszereket, ESD, rövidzár és hibás külső eszköz használatából eredő tranziensek elleni védekezésre van szükség

10.ábra: Li-Ion akkumulátor védelme

Jellemzői:

Load dump elleni védekezés TVS diódával

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-e a mai korszerű gépjárművekben 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 védelmi módszereivel szemben, elsősorban a helytakarékosság, és az áramköri lapok valós bekerülési költségének minimalizálása útján.

11.ábra: Load dump elleni védekezés egyetlen szupresszor diódával

| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |

Hivatkozások

A cikk megjelent az alábbi helyeken:

# Média Link
1 Magyar Elektronika online Az autóelektronikában használt interfészek adatvonalainak és tápellátásának félvezető-alapú túlfeszültségvédelme
2 Magyar Elektronika 2019/5 2019. 5.sz. 16-20.o.

Kapcsolat

Az info(kukac)electronics-articles.com email címen vagy az alábbi ürlapon az adatkezelési nyilatkozat elfogadásával léphet velünk kapcsolatba.

Név
Cégnév
Email
Telefon
Üzenet
  Elolvastam és elfogadom az adatkezelési nyilatkozatot
  Feliratkozom a havi gyakoriságú, hasonló cikket tartalmazó műszaki hírlevélre.
 
© Copyright Kiss Zoltán - Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH Magyarországi Közvetlen Kereskedelmi Képviselet 2015-2019
Kövessen minket: Facebook  LinkedIn