Защита электроники современного транспортного средства

Защита электроники современного транспортного средства

Машины современного образца реально адресуют боевой настрой интегрированной электронике. Переходные скачки напряжений, электрические шумы, статические разряды и т.п. – всё это обычные явления для электрической сети автомобиля. Если при этом защита электроники автомобиля отсутствует, плачевный результат очевиден.

Правило применения TVS-диодов в схемах машин

Эффективная защита электроники автомобиля достигается посредством специальных устройств подавления переходных процессов – супрессорных диодов (TVS — Transient Voltage Suppressor). Рассмотрим такого типа приборы, а также примеры применения в составе электрической схемы машин.

Обратное, пробивное, ограничительное напряжения – должны оставаться положительными, как и рабочие напряжения защищаемой цепи в условиях переходных процессов. Именно так интерпретируется правило, действующее в автомобильной отрасли, даже если применяются устройства, проводимые в обратном направлении.

Часто для маркировки приборов TVS используются символы, применяемые под маркировку стабилитронов (стабисторов). Этот момент нередко вызывает вопросы, так как оба электронных компонента основаны на эффекте пробоя Зенера и обладают сильно схожими вольтамперными характеристиками. Как же определить разницу между супрессором и стабилитроном?

На первый взгляд кажущиеся похожими две вольтамперные характеристики, на деле показывает различия. Стабилитрон на графике вольтамперной характеристики показывает гораздо более острый изгиб, более крутой наклон и более жёсткий допуск по напряжению.

ЗАЩИТНАЯ

Защита электроники автомобиля - основные критические области
Критические области автомобиля, где нужна защита: 1 — SD карты и модули памяти; 2 — USB интерфейс 3.0 и HDMI; 3 — USB интерфейс 2.0; 4 — антенны радио и прочих систем; 5 — аналоговые видео-устройства, LVDS; 6 — двухпроводной Ethernet; 7 — стандартный Ethernet; 8 — шина CAN; 9 — аудио системы

Для устройства TVS картинка несколько иная. Эти различия обусловлены конструкцией приборов и функциями. Цель стабилитрона — обеспечить точную фиксацию напряжения в сигнальной цепи (эталонное напряжение) или же обеспечить функцию регулировки.

Обычно стабилитрон пропускает ток постоянно, либо длинными временными периодами (несколько секунд для схемы фиксации уровня).

Супрессорный диод (TVS), между тем, предназначен для обработки энергии от скачков напряжений и переходных процессов, способных повреждать чувствительные электронные компоненты автомобиля.

Устройство TVS предназначено для поглощения большого количества энергии за очень короткое время (от наносекунд до миллисекунд). Пиковые токи могут достигать очень больших величин, но кратковременно.

Условия точной регулировки для прибора TVS не важны, в отличие от стабилитрона. При нормальной работе электрической цепи автомобиля, прибор TVS не проводит, за исключением токов утечки.

Оценка мощности TVS-диода защиты автомобиля

Опять же на первый взгляд номинальная мощность прибора TVS видится крайне высокой. Однако номинальная мощность рассчитывается в импульсном режиме, учитывая, что конструкция прибора TVS не предназначена для непрерывной работы. Типичная форма импульса показана на картинке ниже.

ПУСКОВОЕ

Защита электроники автомобиля и форма импульса для прибора TVS
Формы сигналов: IEC61000-4-5 стандарт 8/20 (t1 = 8 мкс, t2 = 20 мкс); IEC61643-321 стандарт 10/1000 (t1 = 10 мкс, t2 = 1000 мкс); Параметр t2 — время, прошедшее от нуля, не от точки t1

Импульс формы сигнала 8/20 показывает, как устройством обрабатывается электростатический разряд (например, удар молнии).

Импульс формы сигнала 10/1000 показывает, как устройство обрабатывает более медленные события с более высокой энергией (например, скачки напряжения питания).

В конструкциях автомобилей подобные события могут исходить от генератора переменного тока, а также от различных индуктивных нагрузок.

Устройством TVS допускаются два разных значения мощности, по одному для каждого из контролируемых совершенно разных импульсов.

Значение напряжения ограничения меняется в зависимости от тока Ipp, поэтому более низкий ток Ipp в импульсе 10/1000 также даёт более низкое напряжение ограничения, снижая значение пиковой мощности.

При более коротком пике длительности импульса 8/20 устройство способно выдерживать значительно более высокий ток. Важным моментом здесь является энергия импульса.

Супрессорный диод обладает внутренней способностью поглощать определённое количество энергии в виде тепла. Поглощение может происходить при очень высокой энергии в течение короткого времени или при более низкой энергии в течение длительного времени.

Супрессорные диоды — защита электроники автомобиля

Конструкция автомобиля имеет несколько конкретных областей, где видится практичным использование электронных устройств на основе приборов TVS, защищая эти области от несколько иных угроз.

Потенциал напряжения 12 вольт традиционной конструкции автомобиля получают от генератора переменного тока. Выходное напряжение генератора выпрямляется и регулируется для обеспечения номинальной величины — 12 вольт, под заряд аккумулятора и питания отдельных модулей электроники.

GPS-ТРЕКЕР

Защита электроники автомобиля + схема включения TVS-диодов
Схема включения супрессоров (пример): A – генератор; R – регулятор напряжения; U – интерфейс USB порта; CAN – устройство шины CAN; LIN – устройство шины LIN; 1 – мощные супрессоры; 2 – однонаправленные маломощные TVS; 3 – двунаправленные маломощные TVS

Поскольку нагрузка генератора и других систем:

  • двигателей стеклоподъёмников,
  • двигателей стеклоочистителей,
  • приводов регулировки сидений и прочих,

является индуктивной, в системе питания 12 вольт наблюдаются значительные скачки и провалы напряжения при подключении, отключении, переключении нагрузки.

Конечно же, запуск машины — зажигание двигателя внутреннего сгорания автомобиля, процесс, также представляющий серьёзную нагрузку. Запуск машины сопровождается появлением электростатических разрядов, электрических шумов — производных многих систем конструкции:

  • катушек зажигания,
  • форсунок,
  • HID-ламп.

Для защиты автомобильных систем разработаны и применяются несколько видов устройств TVS – супрессорных диодов. Схема генератора и регулятора напряжения современной техники обязательно дополнена такими устройствами поглощения высокоэнергетических событий.

Шины данных, соединяющие различные модули, не являются напрямую уязвимыми для угроз со стороны источника питания, но склонны улавливать электронные шумы и электростатические разряды.

Такие шины подключаются к относительно чувствительным микропроцессорам низкого напряжения. Эти шины также оснащаются защитными устройствами типа TVS-диодов.

Импульсы автомобильной шины питания

Стандарты ISO 7637-2 и ISO 16750 устанавливают серию определённых импульсов на шине питания 12 вольт, которые должны обрабатываться электроникой автомобиля. На картинке ниже представлены  импульсные нагрузки применительно к электронной системе автомобиля, указана величина и предназначение.

ДЖАМП СТАРТЕР

Защита электроники автомобиля - импульсы критических нагрузок
События связанные с импульсами графика: 1 — отключение питания от индуктивной нагрузки; 2 – отключение параллельной нагрузки; 3 – скачки напряжений на переключениях; 4 – запуск двигателя автомобиля; 5а – основная нагрузка

Сбрасывающий основную нагрузку прибор TVS мощного исполнения расположен рядом с генератором переменного тока. Устройством поглощается большая часть энергии в случае наступления события сброса. Это оставляет возможность для теста автомобильных модулей, остаточной после сброса основной нагрузки, энергией.

Импульсы 1 и 5, показанные на картинке выше, имеют значительно увеличенную длительность, чем тестовый импульс 10/1000 мкс. Следовательно, защитные приборы TVS, используемые в автомобильных схемах электроники требуют большей мощности, нежели в ином случае применения.

Организация шины питания через защитные схемы

Каждый электронный модуль транспортного средства оснащается защитой против обратной полярности батареи питания. Схема защиты зачастую реализуется по принципу действия полевого МОП-транзистора. Вместе с тем, к этой схеме добавляется устройство TVS для защиты модуля от переходных процессов.

Супрессорный диод, подключенный на входе блока управления электропитанием, необходим с высоким показателем прочности, способный рассеивать значительную энергию. Подобные устройства промышленного стандарта — SMCJ28C / CAQ, сделанные в корпусе SMC, обладающие номинальной мощностью 1,5 кВт (10/1000 мкс).

Однако стремление к рассеиванию большой мощности и уменьшению занимаемой площади, привело к разработке TVS-диодов для автомобильных систем в термически более эффективном корпусе. Пример: супрессорный диод D28V0HU12P5Q.

Конструкция демонстрирует обратное напряжение нейтрализации 28 вольт и малый ток утечки. Способность рассеивания мощности — 1800 Вт за переходный процесс 10/1000 с. Это на 20% выше, чем у аналогичных конструкций, но при сокращении 40% площади монтажа на печатной плате.

Защита системных шин CAN и FlexRay

Электроника современных автомобилей передаёт большие объемы данных по шинам CAN и FlexRay. Через шины передаётся важная для безопасности вождения информация.

Соответственно, работа шин CAN и FlexRay требует высокой степени надёжности. Очевидной видится защита шин автомобильной электроники от переходных процессов и шумов, но без влияния на полосу пропускания полезного сигнала.

Упомянутые шины автомобильной электроники чаще работают в условиях:

  • статических шумов,
  • низкого энергопотребления,
  • электростатических разрядов.

Переходные процессы с высоким энергопотреблением, например, сброс нагрузки – редкое явление. По этой причине здесь подходят устройства защиты малой мощности и, соответственно, размеров.

Автомобильные электрические шины CAN и FlexRay – это прообраз дифференциальных систем, поэтому для защиты обеих линий данных требуется двунаправленный TVS-диод.

Приборы требуются малой емкости для обеспечения целостности сигнала. Для шины CAN наличие заземления не обязательно. Разные узлы автомобиля допускают разное напряжение заземления.

Супрессорный диод действует на ограничение в общем режиме и в дифференциальном режиме применительно к схеме автомобильной CAN. Пример — шина LIN, представляющая двухпроводную систему, состоящую из сигнального и заземляющего проводов.

Сигнал потенциально может находиться в диапазоне +24 / -15 вольт (из-за разницы на уровне земли вокруг транспортного средства).

Поэтому здесь требуется асимметричное двунаправленное устройство, например:

  1. DESD1CAN2S0Q (pdf)
  2. DESD1FLEX2S0Q (pdf)
  3. DESD1LIN2WSQ (pdf)

Оба компонента производства компании «Diodes Inc.». Эта электроника удачно подходит для оснащения автомобильных шин CAN и FlexRay. Также следует отметить разработку под номером 3 списка выше — компактный 2-контактный асимметричный TVS-диод, подходящий для применения в составе LIN систем.

Защита автомобильной линии передачи USB

Порты USB и высокоскоростные шины данных, подобные HDMI, также отмечаются востребованной защитой TVS-диодами. Соединения здесь формируются несколькими линиями и работают с высокой скоростью. Соответственно низкая ёмкость является ключевым критерием сохранности целостности данных.

Для нескольких линий передачи данных миниатюрность устройства также имеет решающее значение. Получается размещение нескольких устройств на ограниченной площади электронной платы.

Для применений с высокоскоростной передачей данных такие устройства, как супрессорный диод D5V0F2U3LPQ (pdf), обладают низкой емкостью для поддержания целостности сигнала.

Компактный корпус серии X-DFN1006-3 позволяет разместить два устройства на меньшем пространстве платы. Это идеальный вариант для высокоскоростных пар данных автомобильного интерфейса USB 3.1.


При помощи информации: DiodesInk