Gamma logo Дистрибьюция
электронных компонентов
Санкт-Петербург, Певческий переулок 12

Защита автомобильной электроники от обратной полярности

12.05.2021180

Автомобильные  электронные  схемы  должны  быть  защищены  от  отрицательного напряжения на входных клеммах. Это может происходить во время обслуживания или при запуске автомобиля, когда кабели аккумуляторной батареи подключены неправильно.  Обратная  полярность  напряжения  может  вызвать  прохождение отрицательного тока через электронные схемы, и короткого промежутка времени в этом состоянии достаточно, чтобы вызвать необратимое повреждение датчиков, контроллеров и других чувствительных кремниевых компонентов.

Помня об этом, разработчики  оборудования  должны  принять  соответствующие  меры,  чтобы сохранить  автомобильные  электронные  блоки  управления  (ЭБУ)  невредимыми в  случае  возникновения  обратной  полярности.  В  этом  документе  описаны  три различные топологии схем защиты от обратной полярности.  

1. Диод в цепи питания

Самый простой способ заблокировать прохождение отрицательного тока - это установить диод, включенный последовательно с батареей. Пока разность напряжений между анодом и катодом диода положительна и превышает указанное прямое напряжение (рис. 1), диод смещен в прямом направлении, и ток течет в цепь нагрузки. Как только полюса батареи меняются местами (рис. 2), диод смещается в обратном направлении, и прохождение отрицательного тока блокируется. При выборе диода для защиты от обратной полярности разработчики должны учитывать несколько критериев:

  • VF: прямое падение напряжения на диоде при прямом смещении. Типичные значения для стандартных выпрямительных диодов находятся в диапазоне 0,7–1,1 В. Чтобы уменьшить рассеиваемую мощность (VF∙I) во время работы, разработчики могут использовать диод Шоттки, который предлагает VF ниже 0,5 В. Кроме того, низкий VF обеспечит больший запас мощности для нисходящей цепи при холодном запуске, когда напряжение на разъемах питания ЭБУ может упасть до 4 В или ниже.
  • IFAV: максимально допустимое среднее значение выпрямленного тока - это максимальный ток, для проведения которого предназначен диод в состоянии прямого смещения. IFAV должен быть выше, чем максимальный ток нагрузки нижерасположенной цепи. Из соображений терморегулирования и увеличения срока службы необходимо учитывать достаточный запас прочности.
  • VDC: Напряжение блокировки постоянного тока - это напряжение, для блокировки которого предназначен диод. VDC будет подаваться от катода диода к аноду во время возникновения обратной полярности. По этой причине VDC должно быть выше, чем максимальное напряжение батареи, ожидаемое при обратной полярности.
  • Корпус: большинство автомобильных блоков управления производится с компонентами поверхностного монтажа (SMD). Diotec предлагает широкий спектр стандартных выпрямителей и выпрямителей Шоттки в корпусах SMD. При выборе корпуса конструкторы должны учитывать размер платы и тепловые характеристики корпуса. Параметры RthA/RthT (тепловое сопротивление переход-окружающая среда / переход-клемма) в Datasheet помогут рассчитать повышение температуры в диоде на основе прямого напряжения и тока нагрузки.
  • Tj: общая температура устройства, вызванная колебаниями температуры окружающей среды и мощностью рассеивания, всегда должна быть ниже Tj. Приведенная ниже формула помогает рассчитать ожидаемое значение Tj для заданной температуры окружающей среды TA. Эффективное тепловое подключение диода к металлической поверхности облегчит охлаждение диода.

 

Tj = TA  +  VF  x  ILoad  x  RthA    (*)

 

Рисунок 1Рисунок 2

 

Плюсы:

  • Экономическая эффективность
  • Быстро и легко проектировать
  • Широкий спектр типов

Минусы:

  • Потеря мощности

Part  No.

Package

VF

IFAV

VDC

Tj

SL1D-AQ

SOD-123FL

< 1.1 V

1A

160V

150°C

SKL14-AQ

< 0.55 V

1A

32V

150°C

SKL110-AQ

< 0.85 V

1A

80V

150°C

S2B-AQ

DO-214AA

< 1.15 V

2A

80V

150°C

SK36SMB-AQ

< 0.7 V

3A

48V

150°C

SK56-AQ

< 0.68 V

5A

48V

150°C

S3G-AQ

DO-214AB

< 1.15 V

3A

320V

150°C

SK84-AQ

< 0.5 V

8A

32V

150°C

S1G-AQ

DO-214AC

< 1.1 V

1A

320V

150°C

SK34SMA-3G-AQ

< 0.5 V

3A

32V

150°C

SKL110-AQ

< 0.85 V

1A

80V

150°C

SK110-AQ

< 0.85 V

1A

80V

150°C

SK115-AQ

< 0.85 V

1A

120V

150°C

2. P-FET в цепи питания

Для приложений, требующих больших токов или очень высокого КПД, разработчики могут уменьшить падение напряжения в цепи питания, используя P-MOSFET с низким RDSON. Подключение Истока транзистора к положительной клемме батареи и Затвора к земле обеспечит достаточно отрицательный VGS по сравнению с VS, таким образом сохраняя MOSFET во включенном состоянии (рис. 3). Канал P-FET шунтирует паразитный диод, проводя весь ток. При изменении напряжения батареи на противоположное VGS будет выше, чем VS, что приведет к отключению P-FET. Паразитный диод имеет обратное смещение и блокируется (рис. 4). Таким образом предотвращается протекание отрицательного тока.

 

Рисунок 3Рисунок 4

 

Для защиты схемы от обратной полярности с помощью P-FET разработчики должны учитывать следующие параметры:

  • RDS(on): Drain-Source On-Resistance - это сопротивление FET во включенном состоянии. Чтобы минимизировать падение напряжения на FET и уменьшить потери мощности во время проводимости, разработчикам нужны компоненты с низким RDS(on): поскольку RDS(on) зависит от площади кремниевого кристалла, должны быть сопоставлены размеры и стоимость FET.
  • VDSS: Напряжение Сток-Исток - это значение, которое устройство должно выдерживать при подаче напряжения между стоком и источником. Его абсолютное значение в Datasheet FET должно быть больше, чем максимальное ожидаемое напряжение при условии обратной полярности.
  • ID: Ток Стока должен быть больше максимального тока нагрузки. Зная значение тока нагрузки, разработчики могут рассчитать потери проводимости FET, используя формулу:

 

P(Loss, cond) = RDS(on) x ILoad2

 

Плюсы:

  • Высокая эффективность

Минусы:

  • Стоимость
  • Небольшой ассортимент товаров

Part No.

Package

VDSS

ID

RDS(on)

DI028P03PT

QFN 3x3

-30 V

-28 A

6.7 mΩ

3. N-FET в цепи заземления

Более широкий выбор N-канальных MOSFET по более низкой цене, чем сопоставимые FETы с P-каналом. По этим причинам проектировщики могут выбрать это решение. Из-за внутренней структуры N-FET для включения требуется напряжение Затвора VG выше, чем VDS. При размещении FET на линии заземления Cток должен быть подключен к отрицательному, а затвор - к положительному выводу батареи, обеспечивая протекание тока через нагрузку (рис. 5). Как только VDS протягивается через VG в условиях обратной полярности, FET выключится, размыкая цепь (рис. 6). Главный недостаток в этой конфигурации - дополнительное сопротивление в GND цепи, добавленный RDS(on) N-FETа, который будет изменять значение GND для всех других компонентов схемы. Те же критерии выбора, что и для P-FET, применяются в случае N-FET.

 

Рисунок 5Рисунок 6

 

Плюсы:

  • Высокая эффективность
  • Широкий спектр типов

Минусы:

  • Повышенный GND
  • Стоимость

Part No.

Package

VDSS

ID

RDS(on)

DI010N03PW-AQ

QFN 2x2

30 V

10 A

10 mΩ

DI040N03PT-AQ

QFN 3x3

30 V

40 A

6 mΩ

DI045N03PT-AQ

30 V

45 A

3.4 mΩ

DI050N04PT-AQ

40 V

50 A

6.5 mΩ

DI110N04PQ-AQ

QFN 5x6

40 V

110 A

1.9 mΩ

DI068N03PQ-AQ

30 V

68 A

3 mΩ

Поделиться: twitter fb vk

Похожие статьи

03.08.2021134
Новости Diotec

Новости Diotec

NEW: Diotec Selection Guides - Диоды & Выпрямители и Транзисторы & Регуляторы Высоковольтные диоды для умных счетчиков, уличных LED фонарей и 4G/5G базовых...
Читать подробнее...
09.07.2021195
Беспроводные электроинструменты

Беспроводные электроинструменты

Креативность и навыки человека являются основными составляющими любого продукта и могут быть усилены только с помощью правильных инструментов. Беспроводные...
Читать подробнее...
19.05.2021326
Моделирование устройства: На шаг ближе к реальной жизни.

Моделирование устройства: На шаг ближе к реальной жизни.

Моделирование устройства: На шаг ближе к реальной жизни. Модели Spice обладают дополнительными тепловыми характеристиками LDI812C-3.3SFA: Сверхнизкое...
Читать подробнее...

Подписаться на рассылку

Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с условиями пользовательского соглашения
Яндекс.Метрика