Beszéljünk akár az ELEKTRONET korábbi számában nagy vonalakban áttekintett szabványos interfészekről, az információs és szórakoztató fedélzeti rendszerről, a LED-alapú világítástechnikai alrendszerekről, a parkolást segítő, sávtartást biztosító, ráfutást megakadályozó funkciókról, vagy a TPMS (automatikus guminyomás-figyelő) rendszerről, ezek mind ki vannak téve a különböző okokból fellépő túlfeszültség káros hatásának, ami egyaránt komoly kihívást jelent az elektronikai tervezőknek és az áramkörvédelmi alkatrészek gyártóinak. Az előző, ezzel a témával foglalkozó írásunkban nagy vonalakban áttekintettük a TVS diódákkal megvalósított ESD és „surge” tranziens túlfeszültségvédelmi megoldásokat a szabványos autóipari buszrendszerek területén, jelen írásunkban pedig elmélyedünk az egyik legkritikusabb túlfeszültségtípus, 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, szórakoztatóelektronikai, világítási, hajtásátviteli és biztonsági rendszerek tervezőinek az autóipari szabványoknak megfelelő védelmet kell biztosítaniuk ezen hatások ellen, hogy a garanciális és a későbbi karbantartási költségek a lehető legoptimálisabbak legyenek. A gépjárművek elektronikai rendszereinek gyors túlfeszültség elleni védettségét diszkrét félvezetős kvalifikációs eljárások meghatározásával az AEC (Automotive Electronics Council) szabványosította.
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 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, miközben utóbbi tölti előbbit. A jelszint akár 174 V is lehet, és nem ritka a 400 ms hosszúságú esemény sem.
A gépjárműelektronika-tervezők 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.
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 egy másik jelentős terhelés lekapcsolódik. Ilyen esetben az ábrán látható módon az autóelektronika továbbra is kapcsolatban marad a töltéssel, viszont a rendszer impedanciája hirtelen megváltozik, aminek hatására egy hosszú lefolyású, nagy energiájú tranziens szabadul rá a rendszerre.
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 Ω, a fellépő surge-áram akár meghaladhatja az 50 A-t 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 tápegységdizájn 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 feszültségreferenciát használ a pontos leválasztáshoz.
Az LM5088 maximális bemeneti feszültsége 75 V, ami szokványos Load Dump túlfeszültségek esetén elfogadható, de az efeletti 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:
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 gépjármű-elektronika túlfeszültség elleni védelmének legalapvetőbb módja a tápfeszültség félvezető tranziens szupresszordiódával 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, 30-60 A nagyságú surge-áramot 10 percen keresztül.
A szilícium félvezető TVS diódák a Zener diódákhoz hasonló, de azokénál nagyobb keresztmetszetű pn-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.
A TVS dióda U-I karakterisztikája nagyon hasonlít a Zener diódáéra. Az alapvető különbség az, hogy míg a Zener dióda feszültségstabilizálásra, addig a TVS dióda kifejezetten tranziens túlfeszültség elleni védelemre való, 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 Ω 12 V és 4 Ω 24 V esetén), valamint alacsony td időbeli lefolyást választanak (40 ms 12 V és 100 ms 24 V esetén) a túlfeszültség-védelem méretezésekor, a Load Dump tranziens hatására fellépő surge-áram korlátozására. Sok esetben 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 egyetlen 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.
