Ochrona samochodowych systemów elektronicznych przed skutkami odwrotnego przyłączenia akumulatora

Rys. 1. Potrzebna w układzie z n-kanałowym MOSFET-em pompa ładunku do zasilania bramki komplikuje układ i może wywoływać EMI

Dla zapewnienia niezawodności muszą one być chronione przed takimi zagrożeniami, jak omyłkowe odwrotne połączenie z akumulatorem czy udary elektryczne w okablowaniu. Odwrócenie polaryzacji akumulatora może się zdarzyć w razie pomyłki przy ponownym jego montażu po wyjęciu czy przy wymianie na nowy, o odwrotnym rozmieszczeniu wyprowadzeń. Samochodowe sterowniki muszą znieść skutki tego rodzaju pomyłek.

Dla ochrony układów elektronicznych przed odwróceniem polaryzacji akumulatora projektanci mogą wybrać jeden z kilku sposobów, od prostych układów do małych specjalizowanych chipów. Każdy z nich ma zalety i wady.

Wybierając najbardziej mu odpowiadające rozwiązanie, projektant musi rozważyć jego koszt, sprawność energetyczną, potrzebne materiały, kompatybilność elektromagnetyczną i wytrzymałość na impulsowy test ISO 7637. W ramach tego testu za pomocą serii impulsów jest sprawdzana odporność zainstalowanych w samochodzie układów na elektryczne przebiegi nieustalone.

Sposoby ochrony przed odwróceniem polaryzacji akumulatora

Rys. 2. SBR nie wymaga pompy ładunku i jest włączony w podobny sposób jak dioda czy MOSFET

Najprostszym sposobem ochrony jest użycie pomiędzy akumulatorem a sterownikiem szeregowej diody, pozwalającej na przepływ prądu tylko w prawidłowym kierunku. Sposób ten jest bardzo prosty, wymaga instalacji tylko pojedynczego podzespołu. Ale wraz z zasilaniem sterownika w diodzie, na której odkłada się napięcie przewodzenia UP, nieustannie wydziela się energia, wywołując spore straty.

Można je zmniejszyć, używając diody Schottky'ego, o mniejszym UP. Jednakże charakterystyka takiej diody jest silnie zależna od temperatury, co naraża ją na zniszczenie przy zwiększonym poborze prądu w podwyższonej temperaturze.

Można także pomiędzy dodatnim biegunem akumulatora a obciążeniem użyć MOSFET-a, o bramce tak spolaryzowanej, że przewodzi jedynie przy poprawnej polaryzacji akumulatora. Ponieważ rezystancja przewodzenia MOSFET-a RDSON wynosi zwykle kilka m?, straty w nim, i2R, są dużo mniejsze niż w diodzie.

Oprócz tego samo blokowanie odwrotnego połączenia akumulatora działa sprawniej niż dioda Schottky'ego. MOSFET może zostać zastosowany, o ile jego dioda dren-źródło jest zorientowana w prawidłowym kierunku przewodzenia, w kierunku do sterownika.

Do ochrony po dodatniej stronie akumulatora może służyć MOSFET tak p-kanałowy, jak i n-kanałowy. Ten ostatni zapewnia mniejsze straty, dzięki niższej rezystancji RDSON. Jednakże do uruchomienia przewodzenia potrzebuje on wyższego napięcia bramki niż napięcie na akumulatorze.

Rys. 3. Impuls Pulse 1 testu ISO symuluje groźny ujemny impuls, wywoływany odłączeniem zasilania

Wymaga to układu z pompą ładunku (rys. 1), rozwiązania droższego, bardziej złożonego z uwagi na schemat i EMI. Wprawdzie umieszczenie n-kanałowego MOSFET-a po ujemnej stronie akumulatora wyeliminowałoby potrzebę pompy ładunku, ale niedopuszczalnie zmieniłoby połączenie masy uziemiającej cały system.

Analogiczny MOSFET p-kanałowy ma wyższą rezystancję RDSON, a zatem powoduje wyższe straty, ale jego obwód sterujący jest prostszy i składa się tylko z diody Zenera i rezystora.

Inne podejście

Rys. 4. SBR wykazuje lepszą odporność na prądy lawinowe niż dioda Schottky’ego, co przy wyższej sprawności pozwala stosować mniejsze podzespoły

Alternatywnym sposobem ochrony samochodowych sterowników jest Super Barrier Rectifier (SBR) firmy Diodes. Łączy ona prostotę i niezawodność zwykłej diody z niską rezystancją przewodzenia diody Schottky'ego. Jak ilustruje rysunek 2, układ ten jest wstawiany, podobnie jak dioda, pomiędzy dodatni biegun akumulatora a obwody sterownika.

W przeciwieństwie do typowej diody Schottky'ego w SBR do utworzenia niskiej bariery potencjałowej dla nośników większościowych służy kanał MOS, o niskim napięciu przewodzenia i dużej niezawodności. SBR charakteryzuje się niskim upływem zwrotnym, nawet w wysokiej temperaturze.

Minimalizuje w ten sposób temperaturowe straty energii w złączu Schottky'ego, zapewniając lepszą wytrzymałość na impulsowe stany nieustalone. Nie wymaga także pompy ładunku, niezbędnej dla n-kanałowego MOSFET-a.

Ochrona przed udarami i przebiegami nieustalonymi

Przeznaczony do zapobiegania przepływowi prądu na skutek odwrotnego przyłączenia akumulatora, układ ochronny może także podlegać innym potencjalnie groźnym przebiegom. Liczne związane z przełączeniami przebiegi mogą przybierać postać krótkich impulsów udarowych.

Najniebezpieczniejszymi z nich są udary wywoływane nagłym rozłączeniem zasilania obciążeń indukcyjnych albo odłączeniem akumulatora w trakcie jego ładowania przez alternator, co wywołuje nagły wzrost napięcia.

Norma ISO 7637 wyznacza serię testów wytrzymałości udarowej, którym muszą zostać poddane sterowniki samochodowe. Testy te symulują rozmaite "najgorsze przypadki" przebiegów nieustalonych, mogących wystąpić w elektrycznej instalacji samochodowej. Spośród nich Pulse 1 i Pulse 5a symulują gwałtowne impulsy, wywołane odłączeniem zasilania lub obciążenia, najbardziej zagrażające układom chroniącym sterownik.

Rysunek 3 przedstawia sposób testowania za pomocą Pulse 1 ISO, które układy chroniące muszą przejść z powodzeniem. Dioda Schottky'ego musi mieć wysokie napięcie zaporowe. Ale takie diody mają także wyższe napięcie przewodzenia, co zwiększa straty energii. MOSFET-y i SBR mają korzystne charakterystyki lawinowe przy niższych napięciach przewodzenia, co zapewnia w normalnych warunkach lepszą sprawność.

SBR mają zwykle 3- do 10-krotnie lepszą charakterystykę lawinową od diody Schottky'ego przy podobnym napięciu znamionowym (rys. 4). Starannie zaprojektowany układ z MOSFET-em może mieć podobną odporność lawinową jak SBR.

Impuls Pulse 5a ISO 7637 (rys. 5), symulujący zanik obciążenia, jest najgroźniejszym dodatnim impulsem, na jaki układ może być narażony. Dla upewnienia się, że chroniony układ jest zdolny znieść ten test, projektant musi znać jego odporność na impulsowy prąd przewodzenia. Informację tę można znaleźć w danych technicznych kwalifikowanych przez AEC-Q101 SBR.

Rys. 5. Znajomość odporności układu na prądy udarowe ułatwia ocenę jego wytrzymałości na Pulse 5a normy ISO 7637

Zebranie podstawowych charakterystyk układów chroniących sterownik, sprawność, koszt, niezawodność i kompatybilność elektromagnetyczną umożliwia porównywanie osiągów SBR z układami z diodą Schottky'ego i MOSFET-ami. Dane te są przedstawione w tabeli 1. Łącznie z priorytetami aplikacji będą one pomocne projektantom w wyborze optymalnego rozwiązania.

Zakończenie

Tabela 1. Względne osiągi układów ochrony przed skutkami odwrotnego przyłączenia akumulatora

Implementacja ochrony sterownika w samochodzie przed odwrotnym przyłączeniem akumulatora w samochodowej instalacji elektrycznej może zostać dokonana na kilka sposobów. Optymalnego wyboru sprawności, złożoności układu, kompatybilności elektromagnetycznej i odporności, projektant może dokonać, biorąc pod uwagę pobór mocy przez sterownik i dopuszczalny koszt.

Super Barrier Rectifier, opracowany do aplikacji dużej mocy, działających poprawnie w instalacji samochodowej w wysokiej temperaturze, jest rozwiązaniem konkurencyjnie cenowo alternatywym dla diody Schottky'ego. Zapewnia wyższą sprawność i niezawodność, gdy priorytetami są niski koszt, mała złożoność i brak EMI. (KKP)