Load dump jellegű túlfeszültség elleni védekezés az autóelektronikában

Átírás

1 In Doyle Protek / Zoltán Kiss Endrich Buelemente Vertriebs GmbH Lod dump jellegű túlfeszültség elleni védekezés z utóelektronikábn A hogy z mindenki számár közismert, npjinkbn z elektronik elterjedése és integrálás z egyik legmeghtározóbb eleme z gépjárműipr fejlődési trendjeinek, hiszen vezetési élmény növelése, hjtási rendszerek htásfokánk mximálás és biztonsági kockáztok csökkentése is mind olyn feldtok, melyeket csk elektroniki úton lehet htékonyn megvlósítni. Beszéljünk kár z Elektronet korábbi számábn ngy vonlkbn áttekintett szbványos interfészek, z információs és szórkozttó fedélzeti rendszer, LED lpú világítástechniki lrendszerek, prolást segítő, sávtrtást biztosító, ráfutást megkdályozó funkciók, vgy TPMS (utomtikus guminyomást figyelő) rendszerről, ezek mind ki vnnk téve különböző okokból fellépő túlfeszültség káros htásánk, mi komoly kihívást jelent mind z elektroniki tervezőknek, mind pedig z ármkörvédelmi lktrészek gyártóink. Jelen írásunkbn elmélyedünk z egyik legkritikusbb túlfeszültség típus, Lod Dump elleni védekezés lehetőségeiben. Az utóelektronikábn megjelenő túlfeszültségek típusi Az elektronik hibátln működését kdályozó gykori trnziens feszültségek tábláztbn összefogllt okokr vezethetők vissz. A fedélzeti informtiki, szórkozttó elektroniki, világítási, hjtásátviteli és biztonsági rendszerek tervezőinek z utóipri szbványoknk megfelelő védelmet kell biztosítniuk ezek ellen htások ellen, grnciális és későbbi krbntrtási költségek optimlizálásához. A gépjárművek elektroniki rendszereinek gyors túlfeszültség elleni védettségét diszkrét félvezetős kvlifikációs eljárások meghtározásávl z AEC (Automotive Electronics Council) szbványosított. Az AEC-Q101 következő túlfeszültségtípusokt különbözteti meg: Elektroszttikus feltöltődés [ESD], emberi test (HBM) vgy gépi modell (MM) szerint Induktív terhelés kpcsoláskor keletkező túlfeszültség Lod dump jellegű túlfeszültség, mely kkor keletkezik, mikor generátor töltés közben hirtelen leválik terhelésről. 1 0

2 Az elektroszttikus kisülés (ESD) két különböző mértékben feltöltődött tárgy, leggykrbbn ember és fém közeledésekor, érintésekor fordul elő, láthtó szikr formájábn, mikor szigetelő dielektrikum átütési feszültségét meghldj potenciálkülönbség. Ez feszültség áltlábn 2-15 kv közötti (levegőben vló kisülés), és gyors lefolyás (ns) mitt viszonylgosn kis energi jellemzi. A surge jellegű túlfeszültség már sokkl hosszbb lefolyású, áltlábn mikro szekundum ngyságrendű, ngy energiájú zvr, mi áltlábn induktív terhelés kpcsoláskor jön létre. A hrmdik, egyben leghosszbb, kár néhány száz milliszekundum lefolyású trnziens z úgynevezett Lod dump, mely gépjármű elektronikábn áltlábn kkor keletkezik, mikor z kkumulátor és generátor kpcsolt megszkd z ktív töltési folymt ltt. A jelszint kár 174 V is lehet és nem ritk 400ms hosszúságú esemény sem. közúti gépjárművek elektroniki berendezéseinek vizsgáltát írj le. Az ISO ennek kiegészítése, mely 2012 ót htályos és fenti gépjárművek számár potenciálisn veszélyes környezeti htásokkl fogllkozik, vlmint meghtározz szükséges ellenőrzési teszteket és jvsltokt tesz z egységek beépítési helyére járműben. Táblázt: ISO Közúti gépjárművek trnziens túlfeszültség védelem vontkozások Lod dump védelem szükségessége PA 4.6 fejezet, mi tápfeszültség megszűnésével fogllkozik, trtlmzz Lod Dump túlfeszültségről szóló bekezdést. A Lod Dump kkor lép fel, A gépjármű elektroniktervezők jól ismerik z ISO szbványt, mely 11

3 h töltés közben generátorr kpcsolt terhelés hirtelen megváltozik, zz például z kkumulátor, vgy más egy másik jelentős terhelés lekpcsolódik. Ilyen esetben z ábrán láthtó módon z utóelektronik továbbr is kpcsoltbn mrd töltéssel, viszont z eredő impednci hirtelen megváltozik, minek htásár egy hosszú lefolyású, ngy energiájú trnziens szbdul rá rendszerre. Ábr: ISO Lod Dump t r n z i e ns impulzus értéke 1~2 Ohm, fellépő surge-árm kár meghldhtj z 50 Ampert 350 ms hosszn, ezzel tervezőknek tisztábn kell lenniük. A szbvány előírásink vló megfeleléshez 10 impulzusból álló percenként ismételt tesztet kell kiállni reszetelhető Lod Dump elleni védelemnek, úgy, hogy közben ekkor ármot kell tudni kezelni nélkül, hogy z ellenállás változn (drift) vonlon. A szbványbn szereplő részletezést z lsó tábláztbn tláljuk, melyben láthtó, hogy túlfeszültség mértéke kár 202 V és lefolyás 400 ms is lehet. Feltételezve, hogy soros ellenállás Első lehetséges megoldás: kpcsolássl Az egyik lehetséges tápegység dizájn LM5088 (széles bemeneti feszültségű 1 2

4 szinkron buck konverter) IC-t hsznál, melyet z ábrán láthtó Lod Dump elleni védelemmel láttk el. Az LM5088 mximális bemeneti feszültsége 75 V, mi szokványos Lod Dump túlfeszültségek esetén elfogdhtó, de z e feletti feszültség megjelenésekor zt le kell kpcsolni bemenetről. Két másik lehetséges elrendezés DCDC konverter Lod Dump elleni védelmére, Liner Technology és Mxim Integrted megoldási z lábbi ábrákon láthtók: A működés lpj, hogy trnziens megjelenésekor védelem meghtározott időre lekpcsolj DCDC konverter és z egyéb mögöttes elektronik bemenetéről feszültséget, mjd fix késleltetéssel trnziens feltételezett lefutás után visszkpcsolj zt. Ez soros Lod Dump védelem TL431A precíziós progrmozhtó feszültség referenciát hsznál pontos leválsztáshoz. Ábr: Liner Technology Lod Dump védelmi megoldás Ábr: Texs Instruments Lod Dump védelem megvlósítás 1 3

5 Ábr: Egyirányú TVS Diód sönt üzemű túlfeszültség védelmi elrendezésben Ábr: Mxim Integrted Lod Dump védelmi megoldás A félvezető szilícium TVS diódák Zener diódákhoz hsonló, de zokénál ngyobb keresztmetszetű P/N átmenettel rendelkeznek, melynek mérete rányos kezelni kívánt teljesítménnyel. H fenti megoldásokt tekintjük, kkor egyértelmű, hogy diszkrét komponensek szám mitt bekerülési költség elég mgs, emeli z árt továbbá nyomttott ármkör beültetése is. Ezek z eszközök olyn clmping eszközök, melyek lcsony impednciás Avlnche P/N átmenetük megnyitásávl feszültségtüskéket mögöttes elektronik áltl elviselhető mértékű szintre korlátozzák. Lod dump elleni védelem söntöléssel A gépjárműelektronik túlfeszültség elleni védelmének leglpvetőbb módj tápfeszültség félvezető trnziens szupresszor diódávl vló söntölése. A komponensgyártó kihívás ez esetben z, hogy egy olyn diszkrét komponenst lkosson, mely z ISO előírásink megfelelően képes kezelni tíz egymást követő lklomml ms hosszn trtó 30-60A ngyságú surge ármot tíz percen keresztül. Ábr: Egyirányú krkterisztik 1 4 TVS diód

6 A TVS diód U-I krkterisztikáj ngyon hsonlít Zener diódáér, z lpvető különbség z, hogy míg Zener diód feszültség-stbilizálásr, ddig TVS diód kifejezetten trnziens túlfeszültség elleni védelemre lett tervezve, hiszen túlármot zonnl söntöli és védendő ármkörre jutó mrdék ármot elviselhető szintre korlátozz. A gépjármű elektronikát tervező mérnökök megszokásból áltlábn névleges soros Ri értéket (2 Ohm 12 V és 4 Ohm 24 V esetén), vlmint lcsony td időbeli lefolyást válsztnk (40ms 12 V és 100ms 24 V esetén) túlfeszültség védelem méretezésekor, Lod Dump trnziens htásár fellépő surge árm korlátozásár. Sok esetben lcsonybb teljesítményre specifikált SMCJ (1.5kW) vgy SMDJ (3kW) TVS eszközökkel operálnk, de kérdés z, hogy ez vjon elegendően robosztus védelem m gépjárműjében is, hol z elektroniki egységek szám megsokszorozódott. feszültséget. Megfelel z AEC-Q101 megbízhtósági szbványnk is. A sorozt 15 ngy-teljesítményű TVS mátrixból áll, ezzel lefedi z ipr igényeit V záróirányú stnd-off feszültség-trtományon. A RoHS és REACH elvárásink megfelelő JEDEC DO-218AB tokozásbn, Tj =175 C átmeneti hőmérsékletű TVS eszközök kptk helyet, melyek így tökéletesen megfelelnek ngy megbízhtóságot igénylő utóipri feldtokr. Ez diszkrét ármköri megoldás tökéletes Lod Dump elleni védelmet nyújt. Emellett gyártási költségek csökkenése útján további előnyökkel bír vezető IC gyártók korábbn ismertetett védelmi módszereivel szemben helytkrékosság és z ármköri lpok vlós bekerülési költségének minimlizálás mitt. Előnyei röviden összefogllv: Egyszerűsített ármkör korábbi 16 komponens egy diszkrét lktrésszel helyettesíthető Alcsony indulási költségek rövidebb BOM, lcsonybb gyártásindítási költségek Kisebb nyomttott ármköri lp DO218AB tokozás Alcsonybb szállítási htáridő, mert csk egy terméket kell beszerezni Kiváló MTBF klkulálhtó: z egyetlen DO218AB tokozású lktrész sokkl kevesebb hiblehetőséget jelent A gyártási költségek kevésbé bonyolult tesztállomás szükségessége mitt is csökkenthetők A ProTek Devices PAM8S sorozt egyedülálló megoldást nyújt z ISO Lod Dump teszt előírásink megfelelő túlfeszültség védelemre, miközben mi megoldásokhoz képest lehető leglcsonybb értéken (48.4 V-on) trtj védendő vonlr jutó. 1 5