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© Analog Devices Inc. Application Notes | 17 September 2021

Elektronische Schutzschaltungen mit weitem Spannungsbereich für das Automobil

Frage: Gibt es am Markt verfügbare Über- und Unterspannungsschutzschaltungen, insbesondere für Automobilapplikationen?

Antwort: Es gibt am Markt verfügbare spezielle Controller für den Leistungsstrang im Automobil, die ihr System schützen. Einführung Das Anlassen und Abschalten des Verbrennungsmotors sind übliche Quellen von Spannungsspitzen auf der Stromversorgung eines Automobils. Diese Unter- (UV) und Überspannungen (OV) können signifikant niedrige bzw. hohe Werte aufweisen und damit Schaltungen schädigen, die nicht für den Betrieb bei solchen Extremwerten ausgelegt sind. Deshalb wurden spezielle UV- und OV-Schutzschaltungen entwickelt, um empfindliche Elektronik vor starken Spannungsschwankungen auf der Stromversorgungsleitung zu schützen. Der LTC4368 ist ein Beispiel für einen solch speziellen UV- und OV-Schutzbaustein. Er verwendet einen Fensterkomparator, um die Eingangsstromversorgung zu überwachen und zu validieren. Die Versorgungsspannung wird mit einem Widerstandsteiler-Netzwerk überwacht, das mit den UV- und OV-Überwachungs-Pins verbunden ist. Der Ausgang des Fensterkomparators treibt die Gates von zwei N-Kanal-MOSFETs, die die Verbindung zwischen der Versorgung und dem Verbraucher herstellen bzw. unterbrechen. Der Fensterkomparator des LTC4368 hat an seinen Überwachungs-Pins 25 mV Hysterese, um die Störfestigkeit zu erhöhen. Die Hysterese verhindert das falsche Ein-/Ausschalten der MOSFETs aufgrund von Brummen (ripple) oder anderen hochfrequenten Schwingungen auf den Stromversorgungsleitungen. Die 25 mV Hysterese des LTC4368 entspricht einem 5% Schwellwert der Überwachungs-Pins und ist für UV- und OV-Schutzbausteine üblich. Für den Eigenschutz oder um die Belastung beim Anlassen zu reduzieren, müssen einige Zusatzschaltungen während des Startvorgangs oder beim Abschalten des Motors von der Stromversorgungsleitung getrennt werden. Wegen der langen damit verbundenen Spannungsspitzen können diese Schaltungen eine größere Hysterese erfordern, als sie der LTC4368 nur allein bietet. Für diese Anwendungen kann man die erhöhten Anforderungen an die Hysterese erfüllen, indem man den LTC4368 mit einem Stromversorgungs-Überwachungsbaustein mit einstellbarer Hysterese, wie dem LTC2966, kombiniert. Bild 1 zeigt das Beispiel eines Schutzschalters mit weitem Spannungsbereich für Automobile. In dieser Schaltung übernimmt der LTC2966 die Rolle des Fensterkomparators und der LTC4368 ist für die Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Stromversorgung verantwortlich. Bild 1: Steuerung des Leistungsstrangs mit einer weiten Spannungsüberwachungs-Hysterese in einem Automobil UV/OV- und Überstrom-Überwachung mit Schutzschalter im Automobil Die in Bild 1 dargestellte Lösung schützt Elektronik an der Stromversorgung eines Automobils, die empfindlich für UV-, OV-Spannungs- und Überstromspitzen ist. Der LTC2966 überwacht falsch gepolten Anschluss sowie Unter- und Überspannungen. Die Werte für die Schaltschwellen und Hysterese werden von den Widerstandsnetzwerken an den INH- und INL-Pins und den Spannungen an den RS1- und RS2-Pins konfiguriert. OUTA ist der Ausgang des UV-Fensterkomparators und OUTB der Ausgang des OV-Fensterkomparators. Die Polarität dieser Ausgänge kann gewählt werden, indem man die Eingänge über die PSA- und PSB-Pins invertiert bzw. nicht-invertiert. In Bild 1 sind sie als nicht-invertierend konfiguriert. Die OUTA- und OUTB-Ausgänge des LTC2966 werden auf den REF-Pin des LTC2966 hochgezogen und direkt in die UV- und OV-Pins des LTC4368 eingespeist. Der LTC4368 bietet auch Schutz vor Verpolung und Überstrom. Die Größe des strommess Widerstands R11 bestimmt die Werte für Verpol- und Überstrom. Der LTC4368 entscheidet, ob der Verbraucher, basierend auf seinen Überstromkomparatoren und auch der Überwachungsinformation, vom LTC2966 mit der Stromversorgung verbunden werden soll. Die UV-, OV- und SENSE-(Überstrom)-Pins sind alle in diesen Entscheidungsprozess mit eingebunden. Wenn die Bedingungen für alle drei Pins stimmen, dann zieht der GATE-Pin über VOUT hinaus und der Verbraucher wird über den dualen Leistungspfad der N-Kanal-MOSFETs mit der Stromversorgung verbunden. Stellt einer der drei Pins eine Abweichung fest, wird der GATE-Pin unter VOUT gezogen und der Verbraucher wird von der Stromversorgung getrennt. Bild 2: VOUT in Abhängigkeit von VIN Automobilanwendungen werden direkt aus der Batterie versorgt und sind damit starken Spannungsschwankungen während des Anlassens und Abschaltens des Motors ausgesetzt. In dieser Schutzschaltung sind die Spannungsschwellwerte auf die nominale Betriebsspannung ausgelegt, sowie auf solche, die im Automobil während des Anlassens und bei Lasteinbrüchen auftreten können und stellen damit sicher, dass die nachgelagerte Elektronik auch geschützt ist. Anlasstransienten werden generiert, wenn die Zündung des Automobils eingeschaltet und der Anlasser betätigt wird, um den Motor des Fahrzeugs zu starten. In dieser Anwendung ist Kanal A des LTC2966 so konfiguriert, dass er Anlasstransienten erkennt. Spannungsspitzen bei Lastabwurf (load dump) werden generiert, wenn der Motor abgeschaltet wird. Dabei treten große Spannungsamplituden auf dem Batteriebus auf, wenn der im Kabelbaum des Automobils fließende Strom plötzlich gestoppt wird. In dieser Applikation ist Kanal B des LTC2966 so konfiguriert, dass er Load-Dump-Transienten erkennt. Bild 3: Bestimmung des Widerstandsteilers für die Schwellwerte der Spannungsüberwachung Bild 2 zeigt die Eingangsspannungen bei aktivem Leistungspfad. Die Unterspannungsüberwachung, Kanal A, ist so konfiguriert, dass sie einen abfallenden Schwellwert von 7 V und einen ansteigenden Schwellwert von 10 V hat. Die Überspannungsüberwachung, Kanal B, hat einen aufsteigenden Schwellwert von 18 V und einen abfallenden von 15 V. Diese Werte der Schaltschwellen werden mit unterschiedlichen Spezifikationen der Über- und Unterspannungssignale verglichen. Wenn nötig, können verschiedene Schwellwerte einfach konfiguriert werden, indem man den Widerstandsteiler für die INL- und INH-Pins des LTC2966 nachjustiert. Konfiguration Bild 3 zeigt, wie die Werte des Widerstandsteilers für diese Applikation berechnet werden. Der REF-Pin des LTC2966 liefert die 2,404 V. Bild 4: Auswahl des Bereichs und der Polarität des Komparatorausgangs Bild 4 zeigt die Bereichs- und Polaritätskonfigurationen der Schaltung. Die Bereichswahl für jeden Kanal basiert auf dem Spannungsbereich des jeweiligen zu überwachenden Kanals. Der Bereich wird über die RS1A/B- und RS2A/B-Pins konfiguriert. Die Polarität der Ausgangspins des LTC2966, ob sie hoch oder auf low gezogen werden, wird von der Einstellung der PSA- und PSB-Pins festgelegt. In dieser Anwendung bestimmen die Eingangspins des LTC4368 die Polarität der Ausgangspins des LTC2966. Um den Verbraucher mit der Versorgung zu verbinden, muss der UV-Pin über 0,5 V und der OV-Pin unter 0,5 V liegen. Verpolungsschutz In der in Bild 1 gezeigten Lösung sind sowohl der LTC2966 als auch der LTC4368 gegen falsche Polung geschützt: der LTC4368 besitzt einen eingebauten Verpolungsschutz bis – 40 V, während der LTC2966 dazu eine Bausteinauswahl benötigt. Bild 5: Mögliche Methoden des Verpolungsschutzes für den LTC2966 Bild 5 stellt zwei mögliche Verpolschutzarten für den LTC2966 dar – eine Widerstands- und eine Diodenlösung – wobei die Wahl zwischen beiden von der Applikation abhängt. Bei der Diodenlösung ist die Diode nur bei Normalbetrieb (bei positiver Spannung) aktiv. Der Versorgungstrom für den LTC2966 beträgt einige zehn Mikroampere, was bedeutet, dass eine Low-Power-Diode geeignet ist und damit kleine Ausmaße der Lösung erzielt werden. Bei Auftreten einer Spannungsverpolung blockiert die Diode den Strom, der von den Versorgungspins des LTC2966 kommt. Die Auswahl der Diode wird von ihrer Durchbruchspannung bestimmt. Um dem LTC4368 zu entsprechen, sollte eine 40-V-Diode gewählt werden. Konsequenz der Diodenlösung ist, dass die Vorwärtsspannung negative Auswirkungen auf die Genauigkeit der Unterspannungsabschaltschwelle und des Schwellwerts der Spannungsüberwachung hat. Bei der Widerstandslösung muss der Widerstand groß genug gewählt werden, um den Strom sicher zu begrenzen, der während einer Verpolung von den Versorgungsleitungen des LTC2966 gezogen wird. Eine sorgfältige Widerstandsauslegung sichert eine minimale Auswirkung auf die Genauigkeit der Unterspannungsabschaltschwelle und des Schwellwerts der Spannungsüberwachung. Die Wahl eines korrekten Gehäuses stellt darüber hinaus eine sichere Abführung der Verlustleistungswärme des Widerstands sicher. In dieser Anwendung sind die überwachten Spannungen so klein, dass die Durchlassspannung einer Diode, in Reihe mit dem Eingang geschaltet, die Genauigkeit der Schwellwerte der Spannungsüberwachung signifikant beeinträchtigt. Zur Anwendung der Widerstandslösung wird deshalb ein Strombegrenzungswiderstand mit 1,96 kΩ ausgewählt, um den LTC2966 vor Verpolung zu schützen. Der Widerstand ist so ausgelegt, dass er den Strom aus den Eingangspins auf 20 mA begrenzt, wenn die Eingangsspannung auf – 40 V heruntergezogen wird. Der kleine Widerstandswert resultiert in einem Spannungsabfall von nur wenigen Millivolt, so dass der Einfluss des Widerstands auf die Genauigkeit der Schwellwerte vernachlässigbar ist. Schutz bei Überstrom- und Einschaltstromstoß Bild 6: Applikation für eine Schutzschaltung für Überstrom und Einschaltstromstoß Der LTC4368 dient in dieser Applikation dem Schutz vor Überstrom und Einschaltstromstößen. Bild 6 zeigt die dafür verantwortlichen Komponenten. Komparatoren im LTC4368 überwachen den Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand R11. In Vorwärtsrichtung, von VIN zu VOUT, löst der Überstromkomparator aus, wenn die SENSE-zu-VOUT-Spannung 50 mV übersteigt. In negativer Richtung, VOUT nach VIN, spricht der Überstromkomparator an, wenn die SENSE-zu-VOUT-Spannung - 3 mV überschreitet. In dieser Anwendung wird ein 20-mΩ-Fühlwiderstand eingesetzt, der die Strombegrenzung auf + 2,5 A und - 150 mA limitiert. Das Begrenzen von Eingangsstromstößen erlaubt es der Applikation ohne den Schutz vor Überstrom in Vorwärtsrichtung hochzufahren. R10 und C1 sind dazu die strombegrenzenden Komponenten. In dieser Anwendung ist der Einschaltstrom auf 1 A begrenzt, weit unterhalb der Strombegrenzung in Vorwärtsrichtung von 2,5 A. Die Auswahl von C1 basiert auf der gewünschten Begrenzung des Eingangsstroms und der Größe von C2. R10 verhindert, dass C1 den Schutz vor falscher Polarität verlangsamt, stabilisiert die schnell herabziehenden Komponenten und verhindert damit auch Flattern (chatter) während eines Fehlers. C4 ist der Kondensator, der die Zeitspanne für eine Erholung nach einem positiven Überstromereignis einstellt. Diese Wiederholungszeit ist die Zeitspanne, die das MOSFET-Gate nach einem erkannten Überstrom auf low gehalten wird. In dieser Applikation beträgt diese Zweitspanne 250 ms. Die 10 Ω-Widerstände R14 und R15 werden zu den MOSFET-Gates hinzugefügt, um Schaltungsoszillationen zu vermeiden, die von parasitären Effekten des Leiterplatten-Layouts verursacht werden. Demonstration der Funktion Unterspannungs-Effekte (Cranking) Bild 7: Vollständiger Spannungsverlauf beim Anlassen Die Charakterisierung des Prototyps wurde im Labor durchgeführt und die Ergebnisse sind in Bild 7 zu sehen. Vor der Aktivierung des Anlassers ist VIN größer als der für Kanal A konfigurierte steigende 10-V-Schwellwert der Spannungsüberwachung. Der UV-Pin des LTC4368-2 wird vom OUTA-Pin des LTC2966 über seine 500-mV-Schaltschwelle gezogen, was den Leistungsstrang aktiviert und VOUT = VIN wird. Während des Anlassens wird das 12-V-Bordnetz auf 6 V heruntergezogen. Der 7-V-Schwellwert der abfallenden Spannungsüberwachung wird unterschritten und OUTA zieht den UV-Pin des LTC4368-2 sofort herunter. Der LTC4368-2 reagiert darauf mit dem herunterziehen seines GATE-Pins auf low, was das Schaltelement ausschaltet und VOUT fällt auf 0V ab. Die vom Widerstandsteiler der Spannungsüberwachung auf 3 V programmierte Hysterese erlaubt es dem LTC2966 die Restwelligkeit beim Anlassen auf dem Bordnetz zu ignorieren. Als Ergebnis davon bleibt das Schaltelement ausgeschaltet, solange bis der Anlassvorgang abgeschlossen ist. Ist der Anlasszyklus vollendet, kehrt die Batterie auf ihren nominalen Spannungswert zurück, der über dem 10-V-Schwellwert liegt. Der OUTA-Pin zieht den UV-Pin des LTC4368-2 auf high und das Schaltelement schaltet wieder ein. Schutz vor umgekehrter Polung Bild 8: Erweiterte Erholung nach dem Anlassen Bild 8 zeigt die Erholung nach einem Anlassvorgang. Man erkennt, dass der interne Recovery-Timer des LTC4368-2 (36 ms typisch) gesättigt ist, bevor das Schaltelement wieder aktiviert wird. Man beachte auch, dass wenn das Schaltelement wieder aktiv ist, VIN für einen Moment auf low gezogen wird. Und zwar wegen Ladens der Lastkapazität des Verbrauchers und der Eingangs-Reiheninduktivität. Dies zeigt die Notwendigkeit einer großen Hysterese des Schaltschwellwerts des Spannungsüberwachungssystems. Die Ladespannungsspitze des Lastkondensators wird vom LTC2966 ignoriert. Lastabwurf-Ereignisse (Load Dump) Bild 9: Vollständiger Signalverlauf bei Lastabwurf Bild 9 stellt das Verhalten der Schaltung bei Lastabwurf dar. Vor dem Deaktivieren der Zündung liegt VIN bei seinem nominalen Wert. Der Leistungsstrang ist aktiv und VOUT = VIN. Während des Lastabwurfs springt die Batteriespannung auf bis zu 100 V. Die 18-V-Schaltschwelle der Spannungsüberwachung wird überstiegen und OUTB zieht den 0-V-Pin des LTC4368-2 sofort nach oben. Der LTC4368-2 reagiert darauf mit dem ziehen seines GATE-Pins auf low, was den Leistungspfad abtrennt und VOUT auf 0 V fällt. Das Schaltelement bleibt solange geöffnet, bis der Load Dump bis auf 15 V entladen ist. Wird die abfallende 15-V-Schaltschwelle überquert, zieht OUTB des LTC2966 den 0-V-Pin des LTC4368-2 herunter und nachdem der interne Recovery-Timer des LTC4368-2 abgelaufen ist, schließt dieser das Schaltelement wieder. Bild 10: Messergebnis des Verpolungsschutzes Bild 10 zeigt, wie der 1,96-kΩ-Widerstand den Strom aus den Versorgungspins des LTC2966 während einer Verpolung begrenzt. Die Eingangsspannung der Anwendung wurde von 0 V auf – 40 V gefahren. Der Strom von den VINA- und VINB-Pins ist auf 20 mA begrenzt und die Spannung dieser Pins wird auf einige hundert Millivolt über Masse gehalten. Der LTC2966 übersteht die Verpolung problemlos. Überstromschutz in Vorwärtsrichtung Bild 11 zeigt die Einschaltstrombegrenzung, die von R10 und C1 festgelegt ist. Wie erwartet, ist der Einschaltstrom auf 1 A begrenzt und VOUT wird nach oben auf 12 V gezogen, ohne die Überstrombegrenzung zu erreichen. Bild 11: Einschaltstrombegrenzung Schutz vor falsch gepoltem Überstrom Bild 12 stellt die Reaktion des LTC4368 auf einen positiven Überstrom dar. Der positive Überstromkomparator im LTC4368 löst aus, wenn die Spannung zwischen den SENSE- und VOUT-Pins 50 mV überschreitet. Der stromfühlende Widerstand R11 hat einen Wert von 20 mΩ, was die Strombegrenzung in der Applikation auf 2,5 A konfiguriert. In diesem Beispiel steigt der Strom solange an, bis der Überstromschutz anspringt. Wie erwartet, wird der Überstromschutz bei 2,5 A aktiviert. Der LTC4368 trennt den Verbraucher von der Versorgung VOUT und der Laststrom fällt auf 0 V ab. Nachdem der Recovery-Timer des LTC4368 gesättigt ist, verbindet der LTC4368 die Versorgung wieder mit dem Verbraucher. Ist der Überstrom vorbei, bleibt der Verbraucher mit der Stromversorgung verbunden. Bild 12: Darstellung des Schutzes vor Überstrom in Vorwärtsrichtung und Wiederholungsverzögerung Ansonsten trennt der LTC4368 den Verbraucher wieder von der Stromversorgung. Die Zeitspanne der Verzögerung bis zu einer Erholung kann verlängert werden, indem man einen Kondensator an den RETRY-Pin anlegt. Wenn gewünscht, kann VOUT durch Anlegen des RETRY-Pins auf Masse entriegelt (latch-off) werden. In dieser Schaltung ist der Timer zum Einstellen der erneuten Wiederholung auf 250 ms eingestellt. Die Konfiguration des Retry-Timers ist im Datenblatt des LTC4368 erläutert. Bild 13 zeigt die Antwort des LTC4368 auf einen falsch gepolten Spitzenüberstrom. Der Komparator für den falsch gepolten Überstrom misst die Spannung zwischen den VOUT– und SENSE-Pins. Das Ansprechen der Spannungsschaltschwelle für einen falsch gepolten Überstrom ist abhängig von der Bausteinversion. Der LTC4368-1 spricht bei 50 mV an und der LTC4368-2 bei 3 mV. Diese Anwendung ist mit dem LTC4368-2 aufgebaut. Der Stromfühlwiderstand R11 hat einen Wert von 20 mΩ. Damit wird die Überstrombegrenzung bei umgekehrter Polung auf 150 mA konfiguriert. Bild 13: Darstellung des Überstromschutzes Während die Stromversorgung 100 mA an den Verbraucher liefert, wird in diesem Beispiel ein Spannungsschritt an VOUT angelegt, sodass VOUT größer als VIN wird. Wenn VOUT ansteigt, sinkt ILOAD. Der Spannungsschritt ist groß genug einen Stromfluss vom Verbraucher zur Batterie zu erzwingen. Dies solange, bis der falsch gepolte Strom 150 mA erreicht und der Überstromkomparator für den Verpolungsschutz anspricht. Spricht er an, wird der GATE-Pin auf low gezogen. Dies trennt den Verbraucher von der Stromversorgung und verhindert, dass dieser weiter Strom in die Versorgung zurücktreibt. Der LTC4368 hält das Gate solange auf low, bis er feststellt, dass VOUT auf 100 mV unter VIN gefallen ist. Zusammenfassung Die in diesem Artikel entwickelte Automobilanwendung belegt, dass die Verwendung von spezialisierten Schutzbausteinen die Implementierung von Schutzschaltungen im Automobil vereinfacht. Mit nur minimal mehr zusätzlichen Schaltungen wurden die beiden Bausteine LTC2966 und LTC4368 kombiniert, um einen akkuraten, robusten und umfassenden Schutz vor Strom- und Spannungsspitzen zu liefern. Die Flexibilität dieser Bausteine erlaubt ihre Konfiguration aber auch für den Einsatz in zahlreichen anderen Anwendungen.
Informationen zum Autor: Al Hinckley erwarb seinen Titel als B.S.E.E. am Merrimack College und danach ein Graduate Certificate in VLSI und Mikroelektronik an der UMass Lowell. Er kam im April 2005 zu Linear Technolgy (nun ein Geschäftsbereich von © Analog Devices Inc.). Man erreicht ihn unter albert.hinckley@analog.com.
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