Az autóelektronikában használt interfészek adatvonalainak és tápellátásának félvezető-alapú túlfeszültségvédelme

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, az alkalmazott megoldás azonban 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, amelyek adatvonalai és tápellátásuk – megfelelő védelem hiányában – potenciális támadási pontok az elektrosztatikus kisülés (ESD), az elektronikus gyors tranziens (EFT), a Surge és a „Load Dump” jellegű túlfeszültségek fellépése esetén. Az alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök nem befolyásolhatják a port adatátviteli képességét, ami nagy sebesség esetén nehéz feladat. A tradicionális, egyszerű kondenzátoros védelem, és nagy kapacitással rendelkező (nagy méretű) túlfeszültségvédő eszközök a nagy frekvencia miatt nem használhatók, mert az adatvonalak parazitakapacitását minimális szinten kell tartani, ellenkező esetben a védelmi eszköz kapacitív impedanciája, ami a frekvencia reciprokával arányos (ZC~1/2πfC) olyan kis értékű lesz, hogy az jelvesztéshez vezetne. Ezért olyan kis méretű, kis kapacitású, de nagy energia elnyerésére alkalmas és pontos megszólalási feszültségű eszköz alkalmazására van szükség, ami egyaránt alkalmas a különböző túlfeszültségtípusok vonatkozásában a szabványok előírásainak betartatására, és emellett a NYÁK infrastruktúra költségét is alacsony szinten tartja.

1. ábra  A TVS dióda feszültségkorlátozó eszköz

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, amelynek mérete arányos a kezelni kívánt teljesítménnyel. Ezek az eszközök olyan „clamping” eszközök, amelyek alacsony impedanciás „Avalanche” P/N átmenetük megnyitásával a feszültségtüskéket a mögöttes elektronika által elviselhető mértékű szintre korlátozzák (clamping voltage). (1. és 2. ábra)
A 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.

2. ábra  Egyirányú TVS diódakarakterisztika

Ahhoz, hogy hosszabb lefolyású tranziensek is elviselhetők legyenek a védőeszköz számára, a mérnökök választhatnak nagyobb méretű tokozást, amely jobban disszipálja a keletkező hőt, mert a chip-mérettől egészen a 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 növelhetők, miközben a MOV-val (fém-oxid varisztor) 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 túlfeszültségvédő 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, amelynek 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, amelyek csak kezdetben, az első néhány megszólalásig mutatnak kielégítő szivárgási viselkedést a TVSD nem öregszik, a szivárgási áram karakterisztikája kiváló marad az idő előrehaladtával is. Válaszideje a nanoszekundum nagyságrendbe esik, és működését alacsony clamping faktor (~1,33) jellemzi.

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

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 8 kV kontakt és 15 kV levegőkisülés-értékig. A szabvány célja, hogy a tervezőket segítse az elegendő mértékű védelem kiválasztásában.
Az emberi test modell (Human Body Model) alapján definiált tranziens lefolyása a 3. ábra szerinti, a felfutás 1 ns alatti és a lefutás 60 ns körüli időtartamot vesz igénybe. (3. ábra)
Sok esetben találkozunk azzal a jelenséggel, hogy a tervezőmérnök nem gondoskodik a teljes megoldásra vonatkozó – az előírt szabványnak megfelelő – ESD védelemről, mert úgy véli, 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 15 kV is lehet, ezért a beépített védelmet csak másodlagos szintnek szabad tekinteni és szükség van egy primer védelemre is 8 kV kontakt és 15 kV levegőkisülés-impulzusok ellen.
Az ESD védelem kiválasztásánál figyelembe kell venni a következőket: 

• Az eszközre jellemző triggerfeszültség, amely alatt a védelem láthatatlan;

• A védőeszköz ún. „overshoot” feszültsége, ahol az megszólal;

• A feszültségkorlát mértéke (clamping voltage), amelyre a védőeszköz a kimenetén megjelenő feszültséget korlátozza (4. ábra).

  
  
  

4. ábra  Surge jellegű tranziens jelalak 8/20 us felfutási/lefutás idői

A Surge az ESD-nél nagyságrendekkel hosszabb (mikroszekundum nagyságrendű) és nagyobb energiájú zavar, amelyet általában villámcsapás vagy kapcsolási tranziens okozhat. 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, míg 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 elviselhető szintre a védendő készülékben a primer védelmen átjutó tranzienst, ezzel kompenzálva a GDT nagy megszólalási feszültségküszöbét. A vonatkozó normák és előírások szerint a másodlagos védelem akár 1500 V feszültséget és 100 A (8/20 µs, 10/1000 µs és 10/700 µs hullámformájú) „Surge” áramot kell, hogy elviseljen.
A harmadik kritikus túlfeszültségfajta – 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, amelyet 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).

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

A gépjárműelektronika-tervezők jól ismerik az ISO 16750 szabványt, amely a közúti gépjárművek elektronikai berendezéseinek vizsgálatát írja le. Az ISO 16750-2 ennek kiegészítése, 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 meghaladhatja akár az 50 ampert is, 350 ms hosszan, amivel a tervezőknek tisztában kell lenni. 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 (6. ábra).

6. ábra  A járműelektronikában előforduló tranziensek

 
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 feszültségreferenciát 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.
A ProTek Devices a tápfeszültség félvezető tranziens szupresszor diódával való söntölése útján ad választ erre a kihívásra, olyan diszkrét alkatrészt alkotott, amely – az ISO 16750-1 előírásainak megfelelően – képes kezelni tíz egymást követő alkalommal a 350-400 ms hosszan tartó 30-60 A nagyságú Surge áramot tíz percen keresztül.
Ez a diszkrét TVS diódás Load Dump elleni védelem jelentős előnyökkel bír:

• Egyszerűsített áramkör – a korábbi 16 alkatrész egy diszkrét eszközzel 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.

a

b

c

7. ábra  CAN busz túlfeszültség elleni védelem

Adatvonalak túlfeszültségvédelme

A tápegységekben megtalálható nagyszámú induktív és kapacitív passzív alkatrész 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 az első szűrőt, amely 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, amely elsősorban járműipari alkalmazásokhoz került kifejlesztésre. Adatátviteli sebessége elérheti az 1 Mbit/s értéket, általában 40 m 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:

• IEC 61000-4-2 ±8 kV érintés, ±15 kV levegőkisülés

• IEC 61000-4-4 EFT 40A, 5/50 ns

• IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 3 A @ 8/20 μs

• AEC-Q101 tanúsított

• 1 × PAM1CAN SOT-23 tokozás

• Stand-Off feszültség V_WM: 24 V

• Letörési feszültség BVM_IN: 25,4 V

• V_C @ I_P: 70 V @ 3 A

• Szivárgási áram I_R: 0,05 μA

• Max. kapacitás: 17 pF

A 15 V-os és az 5 V-os single line CAN-busz védelmére a 60 pF kapacitású, 17 A Surge áram kezelését lehetővé tévő PAM10ST2315C és az ultra kis (0,6 pF) kapacitással rendelkező PAM04ST430502 eszközök elérhetők, amelyek SOT-23 és SOT-543 tokozásban 8/15 kV ESD, 40 A EFT védelmet adnak. (7. ábra)

8. ábra  PAM1FLEX FLEXRAY busz túlfeszültség elleni védelmére

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, amely csatornánként 10 Mb/s sávszélességgel rendelkezik, a CAN-busz sebességének tízszeresét (két csatorna esetén húszszorosát) elérő sebességgel kommunikál. Védekezni általában ESD és rövidzár ellen szükséges. (8. ábra)

Jellemzői:

• IEC 61000-4-2 ±8 kV érintés, ±15 kV levegőkisülés

• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns

• IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 3 A @ 8/20 μs

• AEC-Q101 tanúsított

• 1 × PAM1FLEX SOT-23 tokozás

• Stand-Off feszültség V_WM: 24 V

• Letörési feszültség BV_MIN: 25,4 V

• V_C @ I_P: 70 V @ 3 A

• Szivárgási áram I_R: 0,05 μA

• Max. kapacitás: 11 pF

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 (9. ábra).

9. ábra  PAM1LIN/PAM2LIN LIN busz túlfeszültség elleni védelmére

Jellemzői:

• 15/24 V feszültség

• ESD ±25 kV érintés, ±25 kV levegőkisülés

• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns

• IEC 61000-4-5 Surge

• PAM1LIN: 200 W/vonal @ 8/20 μs

• PAM2LIN: 350 W/vonal @ 8/20 μs

• AEC-Q101 tanúsított

• SOD323 tokozás

• Stand-Off feszültség V_WM: 15 & 24 V

• Letörési feszültség BVM_IN: 17,2 & 25,5 V

• V_C @ I_P: 44 V @ 5 A & 70 V @ 3 A

• Szivárgási áram <50 nA

• Max. kapacitás:

• PAM1LIN : 11 pF

• PAM2LIN: 3 pF

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 fejlesztők számára.

Lítium-ion akkumulátoros rendszerek védelme TVS diódával

Az intelligens lítuim-ion akkumulátorrendszerek 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).

10. ábra  Li-Ion akkumulátor védelme

Jellemzői:

• IEC 61000-4-2 ±8 kV érintés, ±15 kV levegőkisülés

• IEC 61000-4-4 EFT 40 A, 5/50 ns

• IEC 61000-4-5 Surge másodlagos villámlás, 2 A @ 8/20 μs

• 1 × VSMF05LC SOT-953 tokozás

• Stand-Off feszültség V_WM: 5 V

• Letörési feszültség BV_MIN: 6 V

• V_C @ I_P: 12 V @ 2 A

• Szivárgási áram I_R: 1 μA

• Tip. kapacitás: 9 pF

11. ábra  Load Dump elleni védekezés egyetlen szupresszor diódával

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 t_d 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 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 túlfeszültségvédelemre, 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, amelyek 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)

Bővebb információ és további újdonságok az Ipar Napjai szakkiállításon, az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH (DE) standon: G pavilon 202C

Szerzők:
Ian Doyle marketing menedzser – ProTek Devices
Kiss Zoltán export igazgató – Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7-13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com