Schutz von Kfz-Leiterplatten durch flexible ESD-Bausteine

Das 12-V-Netz in Kraftfahrzeugen ist seit jeher etabliert und die gesamte Elektronik und die elektronischen Komponenten sind auf diese Spannung ausgelegt.  Auch der Schutz der Elektronik gegen elektrostatische Entladungen (ESD) und die dafür vorgesehene ESD-Diode sind auf dieses 12-V-Netz optimiert. Der Fahrzeugaufbau ändert sich jedoch radikal und schnell und es werden neue Netze mit höheren Spannungen eingeführt, was bedeutet, dass Elektronik-Ingenieure jetzt ein breiteres Spektrum an ESD-Schutzbausteinen benötigen, um den sicheren Betrieb der Fahrzeuge auf der Straße zu gewährleisten. Der Artikel befasst sich mit einigen der Faktoren, die für die Veränderung der Netzspannungen auf den Leiterplatten verantwortlich sind, die für die Stromversorgung elektrischer Systeme in Fahrzeugen verwendet werden. Außerdem werden die Merkmale eines neuen nach AEC-Q101 qualifizierten Portfolios von ESD-Schutzbausteinen von Nexperia erörtert, zu denen flexible Optionen für den Schutz von Leiterplatten mit 12-V-, 24-V- und 48-V-Netzen zählen.

Die Anzahl elektrischer und elektronischer Bauteile in Fahrzeugen nimmt stetig zu, und der Energiebedarf dieser Komponenten bringt 12-V-Batteriesysteme schnell an ihre Grenzen. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, haben die Fahrzeughersteller elektrische Systeme entwickelt, die von 24 V (heute bei schweren Nutzfahrzeugen üblich) bis zu 48 V arbeiten können, wie es zunehmend bei neueren Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) der Fall ist. Im Vergleich zu 12-V-Batterien bieten 48-V-Systeme eine erhebliche Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades. Ein weiterer Vorteil höherer Spannungen ist, dass für die gleiche Leistung weniger Strom benötigt wird, so dass dünnere und leichtere Kabel verwendet werden können – eine wichtige Voraussetzung vor allem für Elektrofahrzeuge.

Daher eignen sich höhere Spannungen besser für die Versorgung aller Leistungskomponenten wie Pumpen, Kompressoren und Federungssystem. Fahrzeuge mit einer 48-V-Batterie verfügen nach wie vor über 12-V-Systeme zur Versorgung elektronischer Steuergeräte (ECUs) und klassischer Fahrzeug-Netzwerkschnittstellen wie CAN und LIN. Die 12-V-Versorgung für diese Systeme wird jedoch durch Heruntertransformieren der 48-V-Batteriespannung mithilfe eines Abwärtswandlers erzeugt. Die Spannungslevel der verschiedenen Bordnetzspannungen sind in Bild 1 dargestellt.

CAN (Controller Area Network) ist ein bewährtes Kommunikationsprotokoll für Fahrzeuge, bei dem normalerweise eine verdrillte Zweidrahtleitung zum Senden und Empfangen serieller Daten verwendet wird (Bild 2). Ein CAN-Transceiver stellt die physikalische Verbindung zwischen dem Protokoll-Controller und den physikalischen Busleitungen in einem Netzwerk her. High-Speed-CAN spezifiziert Übertragungsraten bis zu 1 Mbit/s, wohingegen das langsamere, fehlertolerante CAN Datenraten bis zu 500 Kbit/s vorgibt. CANL ist der LOW-Level-CAN-Bus und CANH der HIGH-Level-CAN-Bus. Bei Normalbetrieb beträgt der Wert des dominanten Zustands ca. 1,4 V und der Wert des rezessiven Zustands 5 V. Im Low-Power-Modus entspricht die Spannung von CANL der Batteriespannung (typischerweise 12 V); im Normalbetrieb beträgt die Spannung des dominanten Zustands jedoch ca. 3,6 V und die des rezessiven Zustands 0 V.

Zum Schutz vor elektrostatischer Entladung und zur Aufrechterhaltung der Kommunikation können externe ESD-Dioden an die CANH- und CANL-Leitungen angeschlossen werden. Nexperia führt ESD-Schutzbausteine, die speziell für den Schutz von zwei CAN-Busleitungen gegen Schäden durch ESD und andere transiente Störungen entwickelt wurden. Da CAN-Netzwerke versehentlich mit Spannungsquellen wie der Autobatterie kurzgeschlossen werden können, müssen ESD-Schutzbausteine auf den CANL- und CANH-Leitungen höheren Spannungspegeln standhalten können. Die ESD-Schutzbausteine von Nexperia erfüllen die maximale Sperrspannung (V_RWM) von 24 V und entsprechen den Normen ISO 7637-2 und ISO 16750-2, so dass sie auch bei einer Starthilfe oder bei einer Reihenschaltung von zwei 12-V-Batterien in einem Nutzfahrzeug sicher funktionieren.

Während 12-V-Batteriespannungen typischerweise in Pkw und Kleinfahrzeugen anzutreffen sind, werden 24-V-Bordnetze typischerweise in Lkw und Nutzfahrzeugen eingesetzt. Gemäß ISO 7637-2 und ISO 16750-2 sind ESD-Schutzbausteine mit einer V_RWM von typischerweise mehr als 32 V erforderlich, um bei versehentlichen Kurzschlüssen zu 24 V nicht zerstört zu werden und gleichzeitig CAN-Leitungen zu schützen. Nexperia hat die Bausteine seines neuen Portfolios so konzipiert, dass sie eine maximale Sperrspannung von 36 V aufweisen und einen ESD-Schutz bis zu 22 kV gewährleisten. Diese Leistung wird mit einer niedrigen Klemmspannung von V_CL = 48 V erreicht. Nexperia führt außerdem einen ESD-Schutzbaustein für 48-V-Netzwerke im Sortiment, der die zusätzlichen Anforderungen der ISO 21780 erfüllt.

Für maximale Flexibilität sind alle Bausteine (12/24/48 V) dieses Portfolios in SOT23- und SOT323-Gehäusen mit drei verschiedenen Kapazitätsklassen von 4 pF, 6 pF und 10 pF erhältlich, die eine reibungslose Kommunikation zwischen den Schnittstellen gewährleisten, ohne die Signalintegrität zu beeinträchtigen. Diese Kombination maximiert die Flexibilität bei der Bemessung von Leiterplatten und bietet Konstrukteuren mehrere Leistungsoptionen. Die Spezifikationen des gesamten Nexperia-Portfolios an ESD-Schutzbausteinen für die Automobilindustrie sind in Tabelle 1 aufgeführt. (na)