Rutronik GmbH
Avtor: Ralf Hickl
Vse pomembnejša tema prihodnosti: pametna distribucija moči v električnih sistemih vozil. Zdaj je to lažje z novimi izdelki podjetja Infineon. »ProFET Load Guard« so najnovejši člani zaščitenih stikal na visoki strani s posebnimi funkcijami za zaščito elektronskih bremen in virov.
Trend naprednih sistemov za pomoč voznikom (ADAS) in avtomatizirane vožnje zahteva pametno ter zanesljivo napajanje vedno večjega števila krmilnikov. Tukaj je nujna zaščita električnega omrežja vozila pred okvarjenimi porabniki, ki povzročajo prevelike tokove ali celo kratek stik.
To zaščito je mogoče zagotoviti na več načinov: z ukrepi za omejevanje toka posameznih porabnikov, s hitro ločitvijo okvarjenih porabnikov ali delov električnega sistema vozila z motnjami od ostalega električnega omrežja vozila, preden pride do daljših padcev napetosti električnega omrežja vozila. Daljši padci napetosti lahko sicer krmilnike za življenjsko pomembne funkcije ADAS prisilijo v stanje za ponastavitev zaradi prenizke napetosti in tako začasno izklopijo funkcije, pomembne za varnost.
Običajne taljive varovalke in releji so za to neprimerni, saj je njihova preklopna hitrost 100-krat nižja od hitrosti pametnih polprevodniških naprav. To pri preobremenitvi ogroža občutljiva bremena in napajalnike. Poleg tega je treba pregorele varovalke zamenjati in jih ni mogoče ponastaviti kot polprevodniške naprave. Zlasti v območnih arhitekturah, ki prihajajo, to ni sprejemljivo.
Nove funkcionalnosti
Nova družina ProFET Load Guard podjetja Infineon zagotavlja odlično kombinacijo zaščitnih in diagnostičnih funkcij za načrtovanje prihodnjih sistemov ADAS. Prilagodljivo močnostno stikalo na visoki strani ima številne funkcije, kot so zaščita napajalne napetosti, krmiljenje in zaščita bremena, samozaščita ter zaščita električnih vodov. Ker stikala ProFET Load Guard omejujejo vklopne tokove, so primerna tudi za preklapljanje kapacitivnih bremen. Način za preklapljanje kapacitivnih bremen (Capacitive Load Switching Mode – CLS) omogoča tudi hiter vklop velikih kondenzatorjev brez toplotne preobremenitve naprave. Omogoča nastavljivo tokovno omejitev, tako da ščiti tudi občutljive filtrske dele v napajalnih vodih tipal (ključna beseda: Power over Coax). Prestava (kILIS) dejanske vrednosti toka z ozkimi tolerancami omogoča tudi natančno diagnostiko pogojev na bremenu.
Slika 1 kaže primer uporabe: Dva krmilnika ADAS (v tem primeru za kamere) imata napajanje po koaksialnem kablu (Power over Coax). Signal (na sliki: Data) in napajalno napetost (Supply) ločuje filter. Če kamera povzroči kratek stik, stikalo ProFET Load Guard (na sliki modre barve) omeji bremenski tok na vnaprej nastavljeno vrednost. Ta tokovna omejitev ščiti filtrske tuljave (POC) bremena pred pregrevanjem. Tudi napajalna napetost (napajanje DC/DC) ostane v predpisanih mejah in lahko še naprej nemoteno napaja drugo kamero. Tokovna omejitev tako preprečuje medsebojno motenje bremenskih tokokrogov (Freedom from Interference).
Novost z nastavljivo omejitvijo toka
Slika 2 kaže blokovno shemo naprave BTG7090-2EPL iz družine ProFET Load Guard z notranjimi funkcijskimi bloki. Nov je blok »Overcurrent limitation« (Pretokovna omejitev). V primerjavi s predhodniki se stikalo ProFET Load Guard pri previsokem toku ne izklopi, ampak deluje naprej in omeji izhodni tok na vnaprej nastavljeno vrednost.
V ta namen ima nastavljivo omejitev toka. Največji dovoljeni tok konfiguriramo z zunanjim uporom. Pri preobremenitvi je izhodni tok omejen na vrednost, ki jo določa upor, pri kateri izhodni tranzistor naprave ProFET Load Guard preide v linearni način. Posledična izgubna moč tranzistorja segreje napravo. Šele ko temperatura integriranega vezja ali temperaturni gradient preseže največjo dovoljeno vrednost, se naprava zaščiti z izklopom prizadetega kanala. Nato se uporabi strategija ponovnih poskusov, ki je kombinacija samodejnega ponovnega zagona in trajnega izklopa: Po izklopu temperatura integriranega vezja pade in se naprava ProFET Load Guard znova samodejno vklopi (ob predpostavki, da je na krmilnem vhodu stalno visok signal). Po šestih neuspešnih poskusih ponovnega zagona se končna stopnja trajno izklopi. Zaporedje nizkega in visokega stanja na krmilnem vhodu ponastavi notranji števec poskusov ter znova vklopi izhod.
Z nastavljivo tokovno omejitvijo omogoča naprava veliko prilagodljivost pri uporabi, saj lahko njeno delovanje z izbiro upora prilagodimo spreminjajočim se zahtevam.
Stikalo za zaščito uporablja nadzor temperature z izklopom pri previsoki temperaturi. Seveda lahko napravo ProFET Load Guard izklopi tudi mikrokrmilnik, ki jo krmili. Pri odločanju mu pomagajo povratni signali diagnostike na priključku za zaznavanje (Sense). Naprava tam daje točno povratno informacijo (± 5 %) o trenutnem toku bremena.
Obvladovanje vzvratnih tokov zmanjša izgubno moč
Naprave ProFET Load Guard lahko izklopijo tok le v eno smer. V drugi smeri je vedno prevodna lastna dioda tranzistorja MOSFET (Body Diode), čeprav sam kanal ni vklopljen. Vzvratni tok se pojavlja na primer pri motornih bremenih, ki ob izklopu delujejo kot generator. Na lastni diodi lahko prihaja do velikih izgubnih moči, kar lahko segreje rezino in tudi sosednje kanale, kar povzroči njihov izklop.
Značilnost izdelka »InverseOn« omogoča vklop notranjega tranzistorja MOSFET, dokler je povratni tok v določenih mejah. Prednost: Izgubna moč v kanalu tranzistorja MOSFET je manjša od izgubne moči na lastni diodi.
Naprave ProFET Load Guard so s funkcijskim blokom za preklapljanje kapacitivnih bremen (Capacitive Load Switching – CLS) primerne tudi za hitro polnjenje in vklop velikih kapacitivnih bremen. V ta namen vhod krmilimo s posebnim signalom PWM. Ta signal PWM preklopi napravo v način CLS s strategijo izklopov z nenehnimi ponovnimi zagoni (Continuous Auto Restart). Pri tem se preklopni cikli vklopa z mejno vrednostjo toka ter izklopa zaradi zaščite pred strmim dvigom temperature ponavljajo, dokler padec napetosti na izhodnem tranzistorju med vklopom ne pade pod določeno vrednost. Takrat se šteje, da je kapacitivno breme dovolj napolnjeno. Po tem se trajno vklopi in signal PWM na krmilnem vhodu je mogoče zamenjati z visokim signalom. Prednost: Blok ostane v varnem območju delovanja (Safe Operating Area – SOA).
Razpoložljivost, možnosti simuliranja in preizkusne plošče
Naprave ProFET Load Guard so pripravljene za standard ISO 26262, zato so v podjetju Infineon pripravili informacije v obliki priporočil za uporabo v varnostno relevantnih napravah (Safety Application Note – SAN), ki podpirajo integracijo naprav v funkcionalno varen sistem. Prva izvedba je dvokanalna naprava BTG7090-2EPL; vzorci so na zahtevo na voljo pri podjetju Rutronik. Serijska proizvodnja se je začela konec leta 2022. Podatkovni list, simulacijski modeli in druga orodja so na voljo na naslovu www.infineon.com/profetloadguard.
Za preizkušanje je podjetje Infineon pripravilo dve plošči, ki sestavljata komplet: matična plošča ProFET ONE4ALL MB V1 in hčerinska plošča BTG7090-2EPL DAUGH BRD (slika 4).
Skupaj z vmesnikom Infineon µIO in grafičnim uporabniškim vmesnikom (GUI) Config Wizard je mogoče napravo konfigurirati, upravljati ter preizkušati.
Zaključek
Sistemi ADAS zahtevajo zanesljivo napajanje v električnem sistemu vozila. Za to je treba električno omrežje vozila zaščititi pred drugimi porabniki s preveliko porabo moči. Naprave ProFET Load Guard s svojo funkcijo omejevanja toka, ki jo je mogoče prilagoditi sistemskim zahtevam, na svojih izhodih ne dopuščajo nevarnih tokov kratkega stika in tokovnih konic, kar breme in 12-voltno napajalno napetost ščiti pred preobremenitvami.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
