Použití transilů pro ochranu elektronických obvodů v automobilech

Hlavním úkolem návrhu obvodů pro automobily je ochrana elektronických částí, jako jsou řídicí jednotky, čidla a multimediální systémy, proti poškození od přepětí, přechodového napětí, ESD či rušení, které jsou v palubní síti často přítomny. Ideální řešení pro ochranu automobilových elektronických systémů nabízejí transily (TVS –Transient Voltage Suppressors), které tomuto oboru aplikací mohou nabídnout hned několik důležitých parametrů. Z těch základních jmenujme především jmenovitý výkon, provozní napětí, průrazné napětí či maximální průrazné napětí. Podívejme se nyní společně na tyto parametry trochu blíže.

Výkon

Obr. 1 Testovací křivka transilu

Výkonem v případě transilů myslíme schopnost pohlcení přepětí podle specifických testovacích nebo aplikačních podmínek. Průmyslový standard testu definuje pulzy 10 μs/1000 μs (viz Specifikace Bellcore 1089), jak je uvedeno na obr. 1. Dále je pak definován také zkušební ESD test, který se liší délkou pulzů 8 μs/20 μs a jeho podoba je uvedena na obr. 2.

Obr. 2 ESD testovací křivka transilu

Průrazné napětí (V_BR)

Průrazné napětí je napětí, při kterém dojde v součástce k lavinovému průrazu. Měří se při uvedeném proudu dle příslušné technické dokumentace.

Obr. 3 VA charakteristika – závislost napětí a proudu

Mezní napětí (V_C): Maximální průrazné napětí

Maximální průrazné napětí představuje vrchol pulzu při měření transilu. Průrazné napětí se měří při velmi nízkém proudu, jako je 1 mA nebo 10 mA, který ovšem neodpovídá úplně obvyklému průraznému napětí v podmínkách dané aplikace. Řada výrobců se proto snaží uvádět také typické nebo maximální průrazné napětí při velkém proudu.

Obr. 4 Typické uspořádání napájecí sběrnice v automobilu

Klidové napětí (V_WM): Pracovní klidové závěrné napětí

Hodnota klidového napětí udává maximální napětí transilu v klidovém stavu daného zařízení a je důležitým parametrem pro ochranu elektronických obvodů, které mají pracovat ve specifickém prostředí. V oblasti automobilového průmyslu je nutné vždy počítat s určitým výkyvem napětí palubní sítě. Z toho důvodu byla stanovena podmínka odolání napětí 24 V DC po dobu minimálně 10 minut v případě 12V sítě nebo 36 V DC po dobu 10 minut v případě 24V rozvodné sítě bez poškození nebo jakékoliv poruchy obvodu. Hodnota klidového napětí je tak jedním z klíčových parametrů transilů určených pro použití v automobilovém průmyslu.

Primární ochrana palubní sítě automobilu (přechodové stavy)

Automobilová elektronika, jako jsou kupříkladu elektronické řídicí jednotky, senzory a multimediální systémy, je připojena k jednotné elektrické rozvodné (palubní) síti. Zdrojem energie pro elektronické obvody jsou baterie a alternátor, přičemž oba jsou charakteristické svým značně nestabilním výstupním napětím, které je závislé na mnoha faktorech (mimo jiné i teplotě, provozním stavu atd.). Navíc se v palubní síti vyskytuje celá řada ESD jevů, špičkových napětí, přechodových stavů a krátkodobých přepětí, jejichž zdrojem jsou obvykle samy automobilové systémy, které používají elektromagnetické prvky. Mezi takové systémy patří mimo jiné obvody pro vstřikování paliva, ventily, motory, elektrické a hydrolytické regulátory.

Co jsou to přechodové stavy?

Nejhorším případem, který může v automobilu nastat, je odpojení baterie v okamžiku chodu motoru, kdy alternátor dodává stále do palubní sítě elektrický proud. Tento stav je znám jako „přechodový stav“ se značným přepětím a většina výrobců vozidel a průmyslových systémů určuje maximální napětí, impedanci vedení a maximální dobu trvání tohoto stavu, který je znázorněn na obr. 5.

Obr. 5 Průběh výstupního napětí alternátoru ve stavu bez zátěže

Tyto podmínky simulují především dva známé testy: USA ISO-7637-2 Pulse 5 a japonský JASO A-1 pro 14V alternátory a JASO D-1 pro 27V alternátory. V této části se tedy pokusíme přezkoumat uplatnění transilů pro omezení přepětí v případě 14V alternátorů.

Specifikace a výsledky testů

Výsledky simulačních testů USA ISO- 7637-2 Pulse 5 a japonské JASO-1 pro 14V pohonné systémy jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 Hlavní parametry testů pro 14V pohonné systémy

Existují však výrobci motorových vozidel, pro které podle ISO-7637-2 Pulse 5 platí jiné podmínky. Špičkový proud transilem lze odhadnout podle následující rovnice:

I_PP = (V_in – V_C) ⁄ R_i

kde je I_PP: špičkový proud,

V_in: vstupní napětí,

V_C: svorkové napětí,

R_i: impedance vedení

Obr. 6 Podmínky zkoušek pro ISO-7637-2. Standardní hodnotou je Vs v rozsahu 65 V až 87 V, a Ri (impedance vedení) v rozsahu 0,5 až 4 Ω

Na obr. 7a jsou uvedeny průběhy napětí a proudu transilu Vishay SM5S24A dle ISO-7637-2 při 87 V Vs, 13,5 V Vbatt., 0,75 Ω Ri a 400ms šířce impulzu.

Obr. 7a Svorkové napětí a proud SM5S24A podle ISO 7637-2

Na obr. 7b je dobře vidět napětí a proud transilem v případě selhání systému dle ISO-7637-2 testu s 87 V V_s, 13,5 V V batt. , 0,5 Ω R_i a 400ms šířkou impulsu. Svorkové napětí okamžitě klesne k nule a procházející proud se zvýší až na maximální hodnotu, omezenou pouze impedancí vedení.

Obr. 7b Svorkové napětí a proud v případě poruchy při správné funkci transilu dle ISO7637-2

Maximální hodnota svorkového napětí uvedeného transilu Vishay podle 5 zkušebních stavů ISO-7637-2 s 13,5 V V batt. a 400ms šířkou impulzu je vidět na obr. 7c.

Obr. 7c Hodnoty maximálních svorkových napětí transilů Vishay podle ISO7637-2

Dvě skupiny přechodových stavů s transily

Pro potlačení přechodových stavů v oblasti automobilové elektroniky existují dva typy transilů: EPI PAR TVS a Non-EPI PAR TVS.

Obě skupiny mají při svém použití velmi podobné vlastnosti. Rozdíl je pouze v tom, že EPI-PAR TVS mají v propustném směru charakteristický pouze malý úbytek napětí (VF), kdežto non-EPI PAR TVS mají za shodných podmínek naopak relativně vysokou hodnotu napětí VF. Tyto vlastnosti jsou důležité v okamžiku přivedení opačného napětí do elektrické rozvodné sítě automobilu. Většina integrovaných obvodů řady CMOS a LSI totiž opačně pólované napětí snáší jen velmi obtížně.

Rovněž elektrody tranzistorů MOSFET jsou obvykle schopné odolat zápornému napětí pouze do –1 V. Ovšem například při špatně zapojené baterii je v palubní síti automobilu rázem přítomné napětí o velikosti shodné s typickým palubním napětím a hodnotou TVS VF.

Takto vysoké přepětí opačné polarity má samozřejmě za následek selhání většiny elektronických obvodů.

Jedním z možných řešení problému je použití transilů EPI PAR TVS. Další možností ochrany je rovněž použití ochranné diody na vedení, jak je uvedeno na obr. 8. Taková dioda by měla být dimenzována na dostatečný proud a potřebné závěrné napětí.

Obr. 8 Ochrana před opačnou polaritou

Sekundární ochrana automobilové rozvodní sítě

Primárním cílem ochranných obvodů v automobilových systémech je samozřejmě omezení vysokého napětí, ovšem i tak je napětí na palubní síti stále příliš vysoké. Použití sekundárních ochranných prvků je zvláště důležité v případě 24V rozvodné sítě, se kterou se dnes můžeme setkat nejčastěji v nákladních automobilech. Hlavním důvodem je skutečnost, že maximální vstupní napětí většiny DC/DC převodníků pro automobilový průmysl se pohybuje kolem 45 až 60 V. Pro tento typ aplikací je tedy vhodné použití rovněž sekundární ochrany, jak je ukázáno na obr. 9.

Obr. 9 Obvod sekundární ochrany

Přidáním odporu R na vedení snížíme maximální proud zátěží, což umožňuje použití menších transilů jako sekundárních ochran. Současné požadavky na mikroprocesorové a logické obvody v elektronických jednotkách hovoří o maximálním proudu 150 až 300 mA a minimálním napájecím napětí při 12V baterii v úrovni 7,2 V při –18 °C nebo 14,4 V pro 24V baterie za stejných podmínek. U 24V baterie můžeme tedy za výše uvedených podmínek napájecího napětí 8,4 V při proudu 300 mA hovořit o odporu R = 20 Ω a 11,4 V při R=10 Ω při minimálním napětí 14,4 V (24V baterie při –18 °C).

V_L = (V_min ⁄ (V_min ⁄ I_L)) × ((V_min ⁄ I_L) – R)

kde je V_L: napětí do zátěže,

V_min: minimální vstupní napětí,

I_L: proud do zátěže,

R: hodnota rezistoru

Rezistor musí být dimenzován na výkon I²R. Toto napájecí napětí je vždy vyšší než minimální vstupní napětí pro většinu napájecích regulátorů a DC/DC převodníků.