Электронные схемы современных авто все больше развиваются, как для соответствия действующим нормам, так и с точки зрения безопасности, эффективности и привлекательных для пользователей. В зависимости от типа автомобиля количество электронных элементов управления, связанных с двигателем, тормозами, трансмиссией, аккумулятором или дверными блоками, доходит до более 100.

Для обеспечения надежности они должны быть защищены от случайного обратного подключения к аккумулятору или скачков напряжения в проводке. Переполюсовка аккумулятора может произойти в случае ошибки при его обратной установке после извлечения или при замене на новый с обратным расположением клемм. Некоторым водителям автомобилей знакомы подобные ошибки.

Разработчики могут выбрать один из нескольких методов защиты электроники от переполюсовки батареи, начиная от простых схем и заканчивая специализированными микросхемами. Каждый из этих методов имеет преимущества и недостатки.

При выборе наиболее подходящего решения разработчик должен учитывать стоимость, КПД, необходимые материалы, электромагнитную совместимость и устойчивость к импульсному тесту ISO 7637, где используется серия импульсов для проверки устойчивости электросхем в авто.

Средства защиты от переполюсовки батареи

Самый простой способ обезопасить электронику — использовать последовательный диод между батареей и драйвером, который позволяет току течь только в правильном направлении. Этот способ прост и требует установки только одного компонента. Но вместе с питанием драйвера в диоде, на который подается прямое напряжение УП, постоянно выделяется энергия вызывающая немалые потери.

Их можно уменьшить используя диод Шоттки. Но характеристики такого диода сильно зависят от температуры, что подвергает его разрушению с повышенным потреблением тока при повышенной температуре.

Также можно использовать МОП-транзистор между положительным полюсом батареи и нагрузкой, с затвором поляризованным так, чтобы он проводил ток только при правильной полярности батареи. Поскольку сопротивление проводимости RDSON MOSFET обычно составляет несколько мОм, потери в нем будут намного ниже чем в диоде.

Кроме того, сама блокировка обратного подключения батареи у транзистора работает эффективнее чем диод Шоттки. МОП-транзистор можно использовать если его диод сток-исток ориентирован в правильном прямом направлении к драйверу.

Как p-канальные, так и n-канальные полевые МОП-транзисторы могут использоваться для защиты по положительной полярности батареи. Последние обеспечивают меньшие потери благодаря меньшему сопротивлению RDSON. Правда для запуска проводимости требуется более высокое напряжение затвора, чем напряжение самой аккумуляторной батареи.

Для этого требуется схема с подкачивающим насосом, более дорогое и более сложное по схеме и ЭМИ решение. Хотя размещение N-канального МОП-транзистора на отрицательной стороне батареи устранило бы необходимость в подкачке заряда, это недопустимо изменило бы заземление всей схемы.

Аналогичный p-канальный MOSFET имеет более высокое сопротивление RDSON и, следовательно, дает более высокие потери, но его схема управления проще и состоит только из стабилитрона и резистора.

Другой подход к защите АКБ

Альтернативным способом защиты авто является супербарьерный выпрямитель от Diodes (SBR). Он сочетает в себе простоту и надежность обычного диода с низким прямым сопротивлением диода Шоттки. Как показано на рисунке, эта цепь вставлена как диод, между положительным полюсом батареи и цепями драйвера.

В отличие от типичного диода Шоттки, в SBR МОП-канал с низким прямым напряжением и высокой надежностью используется для создания низкого потенциального барьера для основных носителей. SBR характеризуется низким обратным током даже при высоких температурах. Таким образом он сводит к минимуму потери тепловой энергии в переходе Шоттки, обеспечивая лучшую устойчивость к импульсным переходным процессам. Он также не требует подкачки заряда, необходимого для n-канального МОП-транзистора.

Защита от пиков и переходных процессов

Схема защиты, предназначенная для предотвращения протекания тока из-за обратного подключения батареи, также может подвергаться другим потенциально опасным формам волны. Многие формы сигналов, связанные с переключением, могут принимать форму коротких ударных импульсов.

Наиболее опасными из них являются скачки напряжения вызванные внезапным отключением питания индуктивных нагрузок или отключением аккумулятора во время его зарядки от генератора, что вызывает резкое повышение напряжения.

Стандарт ISO 7637 определяет ряд испытаний на удар, которым должны подвергаться автомобильные контроллеры. Эти тесты имитируют различные наихудшие переходные процессы, которые могут возникнуть в автомобильной электросхеме. Они имитируют сильные импульсы, вызванные отключением питания или нагрузки, которые больше всего угрожают схемам защиты контроллера.

Диод Шоттки должен иметь высокое запирающее напряжение. Но такие диоды также имеют более высокое прямое напряжение, что увеличивает потери энергии. МОП-транзисторы и SBR имеют благоприятные лавинные характеристики при более низких прямых напряжениях, что обеспечивает лучшую производительность в нормальных условиях.

SBR обычно имеют лавинную характеристику до 10 раз лучше, чем диод Шоттки при аналогичном номинальном напряжении. Тщательно спроектированная схема MOSFET может иметь такую же лавинную устойчивость, что и SBR.

Импульс ISO 7637, имитирующий спад нагрузки, является наиболее опасным положительным импульсом которому может подвергаться схема. Дабы убедиться, что защищаемая цепь способна выдержать это испытание, разработчик должен знать ее сопротивление импульсному прямому току. Эту информацию можно найти в квалифицированных технических данных AEC-Q101 SBR.

Сбор основных характеристик схем защиты контроллера, эффективности, стоимости, надежности и электромагнитной совместимости, позволяет сравнить производительность SBR со схемами на диодах Шоттки и MOSFET. Вместе с приоритетами применения они помогут проектировщикам в выборе оптимального решения.

Супербарьерный выпрямитель SBR, разработанный для мощных линий, который прекрасно работает в автомобильной сети при высоких температурах, является хорошей альтернативой диоду Шоттки. Он обеспечивает более высокую надежность и КПД, особенно когда приоритетами являются низкая стоимость, простота и отсутствие электромагнитных помех.

Таким образом защита контроллера в автомобиле от обратного включения аккумуляторной батареи может осуществляться несколькими способами. А уже проектировщик может сделать оптимальный выбор по КПД, сложности схемы, стоимости, электромагнитной совместимости и помехоустойчивости с учетом энергопотребления контроллера.