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Schutz der Automobilelektronik

Einführung

Fortschritte in der Automobilelektronik haben viele Funktionen ermöglicht, bei denen mehr Elektronik in Fahrzeuge gepackt wurde als jemals zuvor. Funktionen wie GPS, Wi-Fi, Bluetooth, Radar, Augenerkennungssysteme und Infotainment, um nur einige zu nennen, verbessern die Sicherheit und Effizienz auf den Straßen und verbessern das Fahrerlebnis insgesamt.

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Mit mehr Elektronik in Automobilen wird die kontinuierliche zuverlässige Leistung zu einer großen Herausforderung. Damit dies alles reibungslos funktioniert, muss die Automobilelektronik in der Lage sein, in allen Umgebungen, denen sie ausgesetzt ist, zuverlässig zu arbeiten.

Der Schutz elektronischer Module ist im elektronischen Design von Kraftfahrzeugen von großer Bedeutung, da ein Ausfall eines der verschiedenen Module im gesamten Fahrzeug zu einem unzuverlässigen Betrieb führt, der möglicherweise zu unerwünschten Ergebnissen wie dem nicht funktionierenden Satellitenradio und zu extremeren Fällen wie Autounfällen und sogar zum Tod führt. Aus diesem Grund müssen der Schutz von Schaltkreisen und die Filterung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) immer in die elektronischen Konstruktionen von Kraftfahrzeugen einbezogen werden.

Mögliche Gefahren für die Fahrzeugelektronik sind transiente Spannungen, die durch elektrostatische Aufladung der Kabelbäume, Lastabwurfspannung an der Lichtmaschine des Fahrzeugs und Blitzschlag entstehen können, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus kann EMI-Rauschen drahtlos an Kabelbäume gekoppelt werden, was auch zu erheblichen Problemen bei der Leistung der Automobilelektronik führen kann.

ESD-Schutz

Elektrostatische Aufladung von Kabelbäumen kann sich beim ersten Kontakt in die Schaltkreise eines Elektronikmoduls entladen. Elektrostatische Entladung (ESD) ist typischerweise ein einmaliges Ereignis und kann mit Keramikkondensatoren unterdrückt werden. Kondensatoren speichern Ladung in einem elektrischen Feld, und sobald sie vollständig geladen sind, werden sie wie ein offener Stromkreis und können nicht mehr aufgeladen werden, bis der Kondensator entladen wurde.

Kondensatoren eignen sich hervorragend für einmalige ESD-Ereignisse, da sie einen ausreichenden Schutz bieten und im Vergleich zu anderen Schutzgeräten relativ kostengünstig sind. Andere Geräte wie mehrschichtige Varistoren eignen sich besser zum Schutz vor wiederholten Schlägen (Abbildung 1).

Hersteller wie AVX bieten Keramikkondensatoren wie die ESD-Safe ™ -Serie an, die speziell zum Schutz vor ESD-Ereignissen in Automobilanwendungen entwickelt wurden. ESD-Safe ™ -Kondensatoren werden nach Größe, Kapazität, maximaler Dauerbetriebsspannung und maximaler ESD-Spannungsfähigkeit spezifiziert (Datenblatt).

Load Dump-Schutz

Lastabwurftransienten schädigen auch die Fahrzeugelektronik und treten normalerweise häufiger auf als ESD-Ereignisse. Ein Lastabwurf tritt auf, wenn die Batterie eines Fahrzeugs plötzlich getrennt wird und die verschiedenen Elektronikmodule im Fahrzeug direkt an die Lichtmaschine angeschlossen bleiben.

Die Ausgangsströme des Generators können je nach Fahrzeugtyp zwischen 50 A und 300 A liegen, wobei das typische Familienauto im Bereich von 50 A bis 125 A liegt und schwere Lastkraftwagen und Geräte bis zu 300 A reichen. Die Ausgangsströme des Generators enthalten viel Energie, die unterdrückt werden muss, um eine Beschädigung der integrierten Elektronikmodule zu vermeiden.

Der Schutz ist normalerweise in den Spannungsregler der Lichtmaschine integriert. Bei der Eingangsleistung von Elektronikmodulen sollte jedoch ein weiterer Schutz angewendet werden, um im schlimmsten Fall einen vollständigen Schutz zu gewährleisten.

Multilayer-Varistoren (MLVs) wie die TransGuard®-Serie von AVX sind die besten Geräte zum Schutz vor Lastabwurf-Transienten, da sie einen hohen Widerstand gegen hochenergetische Transienten aufweisen und mehreren energiereichen Schlägen standhalten können. Mehrschichtige Varistoren sind oberflächenmontierte Geräte auf Zinkoxidbasis. Zinkoxid ist ein halbleitendes Material, das normalerweise resistiv ist und leitend wird, wenn genügend Spannung angelegt wird.

MLVs enthalten abwechselnde Schichten aus Zinkoxid- und Metallelektroden, wodurch sie eine interne Konstruktion aufweisen, die der von mehrschichtigen Keramikkondensatoren ähnelt (Abbildung 2). Diese Eigenschaft ermöglicht es MLVs, sich im ausgeschalteten Zustand wie ein Kondensator und im eingeschalteten Zustand wie ein transienter Spannungsunterdrücker zu verhalten.

Die Verwendung eines MLV zum Schutz vor Load-Dump-Transienten ist relativ einfach. Integrieren Sie das Gerät einfach in das zu schützende Elektronikmodul, indem Sie es parallel zur Stromleitung des Moduls anschließen (Abbildung 3).

Während die Verwendung eines MLV relativ einfach ist, ist die Auswahl des besten MLV nicht so einfach und bei der Auswahl des zu verwendenden MLV muss sorgfältig überlegt werden. Von großer Bedeutung ist die Energiehandhabungsfähigkeit des MLV im Vergleich zum Energiegehalt des erwarteten Übergangsimpulses.

Das MLV muss in der Lage sein, den transienten Impuls ohne Einfall zu verarbeiten. Hersteller wie AVX bieten MLVs an, die zum Schutz vor Lastabfalltransienten (Datenblatt) entwickelt wurden, und helfen Kunden routinemäßig dabei, das beste Schutzgerät zu ermitteln, indem sie die Anwendungs- und Testgeräte des Kunden gemäß den Kundenspezifikationen sorgfältig prüfen. Anwendungshinweise und Whitepaper helfen Ihnen auch dabei, festzustellen, welches Gerät für die Anwendung am besten geeignet ist.

Schutz von Hochgeschwindigkeitskommunikationsleitungen

Die Automobilelektronik ist je nach Funktionalität durch unterschiedliche Netzwerke verbunden. Lokale Verbindungsnetze (LIN) arbeiten im Bereich von Kilobit pro Sekunde (kbps) und werden zum Betreiben von elektrischen Fenstern, Türschlössern, Spiegeln und einfachen Sensoren verwendet.

Controller Area Networks (CAN) arbeiten im Megabit-pro-Sekunde-Bereich (Mbit / s) und bieten mehr Möglichkeiten zur Steuerung anspruchsvollerer Elektronik wie Antiblockiersysteme (ABS), Motorsteuergerät (ECU) und Airbag-Steuermodule (ACM) nenne ein paar. Andere Netzwerke umfassen FlexRay, MOST und TTP. Bluetooth und Wi-Fi ermöglichen Infotainment-Funktionen im Auto.

Die Unterdrückung transienter Spannungen in Hochgeschwindigkeitsnetzwerken ist ebenfalls wichtig, da CAN-, Flexray- und RF-Komponenten wie Bluetooth und Wi-Fi sehr empfindlich auf schädliche Transienten reagieren. Der Schutz von Hochgeschwindigkeitsleitungen stellt eine Reihe einzigartiger Herausforderungen dar, da die Signalintegrität mit zunehmender Kapazität verloren geht. Die folgende Sehtafel zeigt, wie eine Erhöhung der Kapazität eine Signalverzerrung eines 2.5-GHz-Signals verursacht (Abbildung 4).

Glücklicherweise haben Komponentenhersteller wie AVX einen Schutz mit niedriger Kapazität für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt (Abbildung 5). MLVs mit niedriger Kapazität weisen wie die CAN-Serie (Datenblatt) eine Kapazität im Bereich von 0.47 pF bis 200 pF auf, wodurch sie für eine breite Palette von Hochgeschwindigkeitsanwendungen für Kraftfahrzeuge geeignet sind.

http://www.avx.com/docs/masterpubs/transgrd.pdf

Conclusion

Die Automobilelektronik bietet eine breite Palette von Funktionen und Merkmalen, die das Fahrerlebnis, die Sicherheit und die Zuverlässigkeit von Straßenfahrzeugen verbessern. Die Empfindlichkeit der Automobilelektronik erfordert, dass gute Schutztechniken für einen kontinuierlichen sicheren und zuverlässigen Betrieb eingebaut werden.

Es gibt eine breite Palette von Schutzvorrichtungen, die von verschiedenen Komponentenherstellern angeboten werden. Unter sorgfältiger Berücksichtigung der Anwendungsanforderungen und Komponentenfähigkeiten können Kondensatoren und mehrschichtige Varistoren jedoch eine Vielzahl von Schaltungsschutzproblemen lösen und bieten für die meisten Automobilanwendungen einen robusten Schutz.

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