Защита от неисправностей в бортовой электросети автомобиля

Производитель: Novacom Wireless

Блок защиты предназначен для предотвращения выхода электроприборов автомобиля из строя.

В автомобилях, имеющих неисправности в электрооборудовании, напряжение бортовой сети может содержать импульсы до 250 В, а, в случае выхода из строя реле-регулятора, постоянная составляющая может доходить до 90 В с кратковременным подъёмом до 120 В. Сильнейшие импульсы возникают при отключении массы аккумулятора автомобиля при работающем двигателе. При этом в автомобилях с дизельными двигателями неисправность может быть не обнаружена сразу, а через несколько секунд уже все электрооборудование автомобиля может выйти из строя. Такая же судьба будет ожидать и приборы, установленные в автомобиле в случае возникновения неисправностей в бортовой сети.

Описание

Технические характеристики

Документы

Блок защиты предназначен для предотвращения выхода электроприборов автомобиля из строя.

В автомобилях, имеющих неисправности в электрооборудовании, напряжение бортовой сети может содержать импульсы до 250 В, а, в случае выхода из строя реле-регулятора, постоянная составляющая может доходить до 90 В с кратковременным подъёмом до 120 В. Сильнейшие импульсы возникают при отключении массы аккумулятора автомобиля при работающем двигателе. При этом в автомобилях с дизельными двигателями неисправность может быть не обнаружена сразу, а через несколько секунд уже все электрооборудование автомобиля может выйти из строя. Такая же судьба будет ожидать и приборы, установленные в автомобиле в случае возникновения неисправностей в бортовой сети.

Для предотвращения выхода приборов из строя и снижения уровня помех, распространяющихся по цепи питания, выпускается устройство защиты приборов от неисправностей в бортовой электросети автомобиля.

Схема подключения блока защиты

Блок защиты фильтрует помехи наносекундной и микросекундной длительности и отключает выходное напряжение при превышении уровня входного напряжения 32 В. Таким образом, на выходе устройства защиты в случае выхода из строя реле-регулятора выходное напряжение будет близко к 0 В. Этим описываемое устройство отличается от большинства присутствующих на рынке устройств защиты, выполняющих функцию стабилизаторов-ограничителей выходного напряжения. В результате блок защиты не нагревается при перенапряжении на входе, не генерирует помех и не выходит из строя – в то время как устройства защиты иных производителей либо перегреваются и выходят из строя (линейные ограничители-стабилизаторы), либо генерируют мощные помехи (импульсные ограничители-стабилизаторы) и тоже через некоторое время выходят из строя.

Рекомендации при проектировании схем защиты цепей питания 12 и 24 В для автомобильных приложений

С помощью семейства интегральных схем MAX16126/7/8/9 компания Maxim Integrated обеспечивает защиту бортовой автомобильной электроники от бросков напряжения в диапазоне от -36 до 90 В без применения дополнительных внешних компонентов. В случае же применения таковых, защита простирается вплоть до 200 В, что авторы статьи доказали на практическом примере, собрав схему защиты на базе микросхемы MAX16127TC+.

Автомобильной электронике приходится работать при воздействии сильных импульсных помех. В современных автомобилях установлено большое количество электронного оборудования, для работы которого необходимо защищать цепи питания от бросков напряжения, электростатических разрядов и включения при обратной полярности аккумулятора. Согласно ГОСТ 28751-90 электронное устройство, работающее в автомобильной сети, должно выдерживать воздействие помех в диапазоне от минус 1100 В до плюс 300 В (для бортовой сети). Для решения этих проблем существует несколько традиционных вариантов защиты:

• установка дискретных компонентов (варисторы, защитные TVS-диоды, предохранители, индуктивные и емкостные фильтры);
• использование электронных компонентов со встроенной защитой от перегрузок по входу и выходу;
• применение специализированных микросхем с активной защитой.

Каждый из этих способов имеет преимущества и недостатки. Преимущество защиты на дискретных компонентах – низкая стоимость. К недостаткам этого варианта можно отнести зависимость напряжения ограничения от мощности помехи и большое время срабатывания у варистора и предохранителя. Последовательное включение диода на входе защищаемой схемы позволяет реализовать защиту от включения с обратной полярностью, но падение напряжения на диоде уменьшает диапазон допустимых входных напряжений. Кроме того, на последовательно включенном диоде теряется рассеиваемая мощность, так как весь ток протекает через этот диод. Плавкие предохранители необходимо заменять после перегорания. В большинстве случаев для этого требуется ехать на станцию технического обслуживания.

Использование микросхем со встроенной защитой ограничено их выбором и ценой. К тому же, такие микросхемы не справляются с мощными высоковольтными помехами.

Специализированные микросхемы для активной защиты от перенапряжений лишены многих недостатков схем на дискретных электронных компонентах. Основная идея специализированных микросхем защиты – замена дискретных компонентов мощными высоковольтными транзисторами, которые управляются интеллектуальными схемами. Это позволяет расширить функциональность схем защиты при высокой точности параметров ограничения.

Основные положения ГОСТ 28751-90

Электронные устройства, подключаемые к бортовым сетям автомобилей с напряжениями питания 12 или 24 В, должны обеспечивать электромагнитную совместимость и помехоустойчивость, удовлетворяя требованиям межгосударственного стандарта ГОСТ 28751-90. В этом документе описаны требования и методы испытаний для автомобильного оборудования. По устойчивости к воздействиям импульсных помех электронные приборы, устанавливаемые в автомобилях, делятся на функциональные классы, описание которых взято из упомянутого выше ГОСТа и приведено в таблице 1.

Таблица 1. Функциональные классы приборов по устойчивости к воздействию импульсных помех по цепям питания

Класс	Описание
A	Все функции изделий выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов
B	Все функции изделий выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов, однако значения одного или нескольких параметров могут выходить за пределы допусков. После воздействия значения всех параметров восстанавливаются
C	Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов, однако после воздействия работоспособность изделия восстанавливается
D	Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После воздействия работоспособность изделия восстанавливается простой управляющей операцией
E	Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После окончания воздействия работоспособность изделия не восстанавливается без проведения ремонта

Для конкретного электронного прибора, подключаемого к цепям питания автомобилей с напряжениями 12 или 24 В, должна быть обеспечена его работоспособность в соответствии с одним или несколькими классами, приведенными в таблице 1. Применение специализированных микросхем защиты с дополнением их высоковольтными MOSFET транзисторами позволяет обеспечить защиту от мощных импульсов помех, удовлетворяя условиям сразу нескольких классов из таблицы 1. Для проведения измерений на устойчивость к воздействию помех на вход исследуемой схемы подаются тестовые импульсы с конкретными параметрами.

Параметры тестовых импульсов также приводятся в ГОСТ 28751-90. Наиболее опасный и сложный из этих тестовых импульсов имеет номер 5. Его параметры для разных цепей напряжений питания бортовой сети автомобиля приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Параметры тестового импульса №5 для бортовых сетей 12 и 24 В

Этот импульс является самым жестким при проведении испытаний на соответствие, т.к. содержит в себе наибольшую энергию. Подача этого импульса при испытаниях, ввиду его сложности, даже не требует соответствия классу А, то есть, при подаче импульса 5 устройство не обязано выполнять все функции во время и после подачи импульса.

Семейство специализированных интегральных схем защиты MAX16126/7/8/9

Для защиты электронных устройств, предназначенных для работы в автомобильных сетях питания, компания Maxim Integrated выпускает семейство интегральных схем MAX16126/7/8/9 (таблица 2). Это семейство позволяет реализовать схему защиты в широком диапазоне напряжений. Сама микросхема защиты MAX16126/16127 рассчитана для работы в диапазоне -36…90 В без применения дополнительных внешних схем. Однако для расширения диапазона работы производитель рекомендует использование внешнего параметрического стабилизатора [2], что позволяет существенно расширить диапазон рабочих напряжений. При этом рабочий диапазон будет ограничен предельными характеристиками параметрического стабилизатора и внешних транзисторов.

Таблица 2. Микросхемы серии MAX16126/7/8/9 для защиты автомобильной электроники

Наименование	Режим защиты от перенапряжений	Допустимые напряжения помех, (без дополнительных внешних схем) В	Корпус
MAX16126TCA	Выключение с автозапуском	-36…90 B	12TQFN-EP 3 х 3 мм
MAX16126TCB	Выключение после одного перезапуска
MAX16126TCC	Выключение после трех перезапусков
MAX16126TCD	Выключение
MAX16127TC	Ограничение
MAX16128UAxxxx	Выключение (с автозапуском; после одного перезапуска или после трех перезапусков)		8 uMAX
MAX16129UAxxxx	Ограничение

Испытание схемы защиты на базе MAX16127 при подаче импульса номер 5

Амплитуда помехи при напряжении аккумулятора 24 В может достигать 200 В при длительности импульса до 350 мс. Именно параметры этого самого «страшного» импульса были использованы при тестировании защитных микросхем серии MAX16126/7/8/9 с дополнительными высоковольтными транзисторами. Для проведения испытаний на базе MAX16127TC+ была собрана схема защиты с допустимым рабочим диапазоном до +400 В (рисунок 2). В качестве ключей были выбраны транзисторы компании STMicroelectronics STP5N52K3, параметрический стабилизатор был выполнен на базе стабилитрона CMZ5946B компании ON Semiconductor. Настройка порога срабатывания от перенапряжения была произведена на уровень 32 В при помощи внешних резисторов R3 и R4 согласно технической документации.

Рис. 2. MAX16127TC с высоковольтными MOSFET-транзисторами

Транзистор Т1 используется для защиты при появлении отрицательного напряжения, например, при неправильном включении устройства в цепь («переполюсовка»). В применениях, где необходимы миниатюрные решения и не требуется защита от отрицательных импульсов, транзистор Т1 может не устанавливаться. Транзистор Т2 служит для реализации защиты при появлении повышенного напряжения. При появлении на входе схемы защиты повышенного напряжения, превышающего заданный порог срабатывания (Over Voltage threshold), MAX16127 закрывает транзистор Т2, тем самым препятствуя попаданию повышенного напряжения на выход схемы.

Для макетирования была выбрана микросхема MAX16127TC+, так как в этом случае используется режим ограничения помехи, при котором выходное напряжение практически не изменяется, и обеспечивается работоспособность питаемого прибора без нарушения его функциональности.

Рис. 3. Реакция схемы ограничения на пиковый входной импульс в отсутствие нагрузки

На рисунке 3 показана реакция схемы ограничения на входной импульс с пиковым значением 182 В при отсутствии нагрузки (желтая осциллограмма). Полное напряжение, поступающее на вход схемы ограничения, составляет (24 + 182 = 206) В, где 24 В – это напряжение аккумулятора. Ограниченное напряжение на выходе в этом режиме измерений не превышает (24 + 6 = 32) В, то есть при амплитуде импульса на входе 182 В, выходное напряжение увеличилось на 6 В.

Рис. 4. Нагрузка 100 Ом, ток 300 мА, выходное напряжение 32 В

На рисунке 4 изображена осциллограмма при нагрузке 100 Ом. Таким образом, выходное напряжение схемы защиты составило 32 В, а ток – 300 мА, при этой степень подавления входной помехи практически не изменяется. Это говорит о том, что при изменении тока нагрузки в широком диапазоне от нуля до 300 мА режим ограничения помехи практически не меняется, что является большим преимуществом активных схем ограничения по сравнению с решениями на пассивных компонентах.

Рис. 5. Реакция на фронт (скачок)

На рисунке 5 показан фронт ограничения при нарастании входного напряжения. При входном напряжении до 32 В уровень напряжения передается на выход без изменения. При достижении напряжения на входе около 32 В (этот порог срабатывания можно при необходимости изменить) происходит ограничение выходного напряжения при дальнейшем росте входного напряжения. Обратите внимание, что масштаб по оси времени составляет 2 мс на клетку (масштаб времени на предыдущих осциллограммах был 40 мс).

При подаче импульсов с разной нагрузкой проводилось измерение температуры транзисторных ключей. Ввиду того, что ограничение производится в ключевом режиме, повышение температуры во время ограничения зафиксировано не было. То есть использование ограничивающей микросхемы MAX16127 не предъявляет специальных требований к рассеиваемой мощности транзисторных ключей, дополнительных теплоотводящих конструкций (радиаторов) и т.д. Также стоит отметить, что транзисторы и стабилитроны были выбраны, исходя из их наличия. При дополнительных требованиях к размерам схемы защиты разработчик может выбирать транзисторы в более миниатюрных корпусах.

Использование версии микросхемы с функцией ограничения (MAX16127) позволяет не просто защитить электронное устройство при появлении помехи или намеренном повышении напряжения питания на линии, а дает возможность сохранять работоспособность устройства. То есть в случае намеренных попыток выведения из строя по линиям питания, устройство может вести лог этого события или передавать сигнал тревоги, например по одному из беспроводных каналов (например, GSM). Таким образом, использование семейства MAX16126/16127 позволяет реализовать устройство, превышающее максимальные степени жесткости по ГОСТ 28751-90.