So lässt sich Elektronik im Auto vor Über- und Unterspannung sowie Verpolung schützen

Der LTC4368 ist ein Beispiel für einen speziellen UV- und OV-Schutzbaustein. Er verwendet einen Fensterkomparator, um die Eingangsstromversorgung zu überwachen und zu validieren. Die Versorgungsspannung wird mit einem Widerstandsteiler-Netzwerk überwacht, das mit den UV- und OV-Überwachungs-Pins verbunden ist. Der Ausgang des Fensterkomparators treibt die Gates von zwei N-Kanal-MOSFETs, die die Verbindung zwischen der Versorgung und dem Verbraucher herstellen bzw. unterbrechen.

Der Fensterkomparator des LTC4368 hat an seinen Überwachungs-Pins 25 mV Hysterese, um die Störfestigkeit zu erhöhen. Die Hysterese verhindert das falsche Ein-/Ausschalten der MOSFETs aufgrund von Brummen (ripple) oder anderen hochfrequenten Schwingungen auf den Stromversorgungsleitungen. Die 25 mV Hysterese des LTC4368 entspricht einem Schwellwert von fünf Prozent der Überwachungs-Pins und ist für UV- und OV-Schutzbausteine üblich.

Für den Eigenschutz oder um die Belastung beim Anlaufen des Motors zu reduzieren, müssen einige Zusatzschaltungen während des Startvorgangs oder beim Abschalten des Motors von der Stromversorgungsleitung getrennt werden. Wegen der langen damit verbundenen Spannungsspitzen können diese Schaltungen eine größere Hysterese erfordern, als sie der LTC4368 allein bietet. Für diese Anwendungen lassen sich die erhöhten Anforderungen an die Hysterese erfüllen, indem der LTC4368 mit einem Stromversorgungs-Überwachungsbaustein mit einstellbarer Hysterese, wie dem LTC2966, kombiniert wird. Bild 1 zeigt das Beispiel eines Schutzschalters mit weitem Spannungsbereich für Automobilanwendungen. In dieser Schaltung übernimmt der LTC2966 die Rolle des Fensterkomparators und der LTC4368 ist für die Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Stromversorgung verantwortlich.

Die Schutzschaltung im Detail

Die in Bild 1 dargestellte Lösung schützt Elektronik an der Stromversorgung eines Automobils, die empfindlich für UV-, OV-Spannungs- und Überstromspitzen ist. Der LTC2966 überwacht einen falsch gepolten Anschluss sowie Unter- und Überspannungen. Die Werte für die Schaltschwellen und Hysterese konfigurieren die Widerstandsnetzwerke an den INH- und INL-Pins und den Spannungen an den RS1- und RS2-Pins. OUTA ist der Ausgang des UV-Fensterkomparators und OUTB der Ausgang des OV-Fensterkomparators. Die Polarität dieser Ausgänge ist wählbar, indem die Eingänge über die PSA- und PSB-Pins invertiert bzw. nicht-invertiert sind. In Bild 1 sind sie als nicht-invertierend konfiguriert. Die OUTA- und OUTB-Ausgänge des LTC2966 werden auf den REF-Pin des LTC2966 hochgezogen und direkt in die UV- und OV-Pins des LTC4368 eingespeist.

Der LTC4368 bietet auch Schutz vor Verpolung und Überstrom. Die Größe des Strommess-Widerstands R11 bestimmt die Werte für Verpol- und Überstrom. Der LTC4368 entscheidet, ob der Verbraucher, basierend auf seinen Überstromkomparatoren und auch der Überwachungsinformation, vom LTC2966 mit der Stromversorgung verbunden wird. Die UV-, OV- und SENSE-(Überstrom)-Pins sind alle in diesen Entscheidungsprozess mit eingebunden. Wenn die Bedingungen für alle drei Pins stimmen, dann zieht der GATE-Pin über VOUT hinaus und der Verbraucher wird über den dualen Leistungspfad der N-Kanal-MOSFETs mit der Stromversorgung verbunden. Stellt einer der drei Pins eine Abweichung fest, wird der GATE-Pin unter VOUT gezogen und der Verbraucher wird von der Stromversorgung getrennt.

Verpolungsschutz

Bild 2: Mögliche Methoden des Verpolungsschutzes für den LTC2966. Analog Devices

In der in Bild 1 gezeigten Lösung sind sowohl der LTC2966 als auch der LTC4368 gegen falsche Polung geschützt: der LTC4368 besitzt einen eingebauten Verpolungsschutz bis – 40 V, während der LTC2966 dazu eine Bausteinauswahl benötigt.

Bild 2 stellt zwei mögliche Verpolschutzarten für den LTC2966 dar – eine Widerstands- und eine Diodenlösung – wobei die Wahl zwischen beiden von der Applikation abhängt. Bei der Diodenlösung ist die Diode nur bei Normalbetrieb (bei positiver Spannung) aktiv. Der Versorgungstrom für den LTC2966 beträgt einige zehn Mikroampere, was bedeutet, dass eine Low-Power-Diode geeignet ist und damit kleine Ausmaße der Lösung erzielbar sind. Bei Auftreten einer Spannungsverpolung blockiert die Diode den Strom, der von den Versorgungspins des LTC2966 kommt. Die Auswahl der Diode wird von ihrer Durchbruchspannung bestimmt. Um dem LTC4368 zu entsprechen, sollte der Entwickler eine 40-V-Diode wählen. Konsequenz der Diodenlösung ist, dass die Vorwärtsspannung negative Auswirkungen auf die Genauigkeit der Unterspannungsabschaltschwelle und des Schwellwerts der Spannungsüberwachung hat.

Bei der Widerstandslösung muss der Widerstand groß genug gewählt sein, um den Strom sicher zu begrenzen, der während einer Verpolung von den Versorgungsleitungen des LTC2966 gezogen wird. Eine sorgfältige Widerstandsauslegung sichert eine minimale Auswirkung auf die Genauigkeit der Unterspannungsabschaltschwelle und des Schwellwerts der Spannungsüberwachung. Die Wahl eines korrekten Gehäuses stellt darüber hinaus eine sichere Abführung der Verlustleistungswärme des Widerstands sicher.

Auslegung der Widerstände

In dieser Anwendung sind die überwachten Spannungen so klein, dass die Durchlassspannung einer Diode, in Reihe mit dem Eingang geschaltet, die Genauigkeit der Schwellwerte der Spannungsüberwachung signifikant beeinträchtigt. Zur Anwendung der Widerstandslösung wird deshalb ein Strombegrenzungswiderstand mit 1,96 kΩ ausgewählt, um den LTC2966 vor Verpolung zu schützen. Der Widerstand ist so ausgelegt, dass er den Strom aus den Eingangspins auf 20 mA begrenzt, wenn die Eingangsspannung auf – 40 V heruntergezogen wird. Der kleine Widerstandswert resultiert in einem Spannungsabfall von nur wenigen Millivolt, so dass der Einfluss des Widerstands auf die Genauigkeit der Schwellwerte vernachlässigbar ist.

(na)

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