Az ESD és „surge” jellegű tranziens túlfeszültségek mellett gyakran fellépő, időbeli lefolyása és az általa képvisent energia miatt talán legkritikusabb túlfeszültség típus, a „Load Dump” elleni védekezés lehetőségéről szól cikkünk.

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.

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 400ms 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. Az áram elérheti akár az 50 A-t is, a szabvány előírásainak megfelelően a hatékony védelemnek 10 ilyen percenként ismétlődő impulzust kell tudni kezelnie.

Az egyik lehetséges megoldás alapja, hogy a tranziens megjelenésekor a védelem meghatározott időre lekapcsolja a mögöttes elektronika bemenetéről a feszültséget, majd fix késleltetéssel - a tranziens feltételezett lefutása után - visszakapcsolja azt. Ilyen áramköröket kínál pl a Linear Technologies vagy a Maxim, általában 15-20 diszkrét elem felhasználására van szükség.

A gépjárműelektronika túlfeszültség elleni védelmének Protek által kínált 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, egyperces időközönként fellépő 350-400 ms hosszan tartó 30-60A nagyságú surge áramot. A gépjármű elektronikát tervező mérnökök megszokásból 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, T_j = 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.