Neue Möglichkeiten des Schaltungsschutzes für mobile Geräte in Kraftfahrzeugen Schutzmaßnahmen

Hersteller von Schaltungsschutz-Bauteilen entwickeln innovative Lösungen für neue Infotainment-Technik und erfüllen damit neue Schutzanforderungen auf Systemebene

Neue Möglichkeiten des Schaltungsschutzes für mobile Geräte in Kraftfahrzeugen

Hersteller von Schaltungsschutz-Bauteilen entwickeln innovative Lösungen für neue Infotainment-Technik und erfüllen damit neue Schutzanforderungen auf Systemebene

Die Mobilfunktionen von tragbaren Medienplayern (PMP), Navigationsgeräten, Smartphones, Spielkonsolen und anderen batteriebetriebenen tragbaren Geräten eröffnen dem Benutzer ein immer stärker vernetztes Leben zwischen Wohnung, Büro und Auto. Dieser Komfort ist allerdings mit gewissen Risiken verbunden. Jedes Mal, wenn man diese Geräte an- oder absteckt, können die elektronischen Schaltungen durch Fehlbedienung, falsche Versorgungsspannungen und Spannung- oder Strom-Transienten beschädigt werden.

Die Entwicklung mobiler Multimedia-Produkte von Audio- und Video-Geräten führte zu einem größeren Strombedarf, höheren Datenübertragungsraten und einem kompakteren Schaltungsaufbau. Im Zuge der zunehmenden Miniaturisierung der Mobilgeräte, auch für das Auto, benötigt man auch immer kleinere und zuverlässigere Schaltungsschutz-Bausteine. Über intensivierte Forschungen im Bereich Materialwissenschaft und ein effizienteres Design konnten die Hersteller von PPTC-Bausteinen (Polymeric Positive Temperature Coefficient) mit der technischen Entwicklung Schritt halten und neue Komponenten auf den Markt bringen, welche die Leistung bisheriger Bauteile in einem kleineren Gehäuse bieten.

Im vorliegenden Artikel werden zwei Beispiele präsentiert, wie mit neuen Schaltungsschutz-Techniken wertvoller Platz auf der Leiterplatte gespart und neue Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllt werden können.

Technische Überlegungen zu Transienten

Bei der Entwicklung von Peripheriegeräten, die über Stromversorgungsbusse in Computern oder Kraftfahrzeugen versorgt werden, spielt der Schutz vor Transienten eine entscheidende Rolle. Induktiv erzeugte Spannungsspitzen können auf Computer-Busleitungen einen Wert von 8 V bei 5-V-Leitungen und 16 V bei 12-VLeitungen überschreiten. Dies kann bei ungeschützten Peripheriekomponenten zu Schäden führen. Das Risiko von Transienten auf Computer-Busleitungen hat weiter zugenommen, seitdem es kostengünstige Netzteile mit USB-Ausgang und im Kfz Spannungswandler vom Zigarettenanzünder-Anschluss zum USB-Anschluss von Drittherstellern gibt.

Stromversorgungs-Busse in Kraftfahrzeugen sind berüchtigt unstabile Spannungen. Nominell für 12 V ausgelegt, können Sie im Normalbetrieb eine Spannung zwischen 8 V und 16 V führen. Batterieströme können noch immer mehr als 100 A betragen und per Relais oder Sicherung abrupt unterbrochen werden. Dabei können hohe induktive Spannungsspitzen auf dem Bus entstehen, so dass die Spannung auf mehr als den fünffachen Wert ansteigen kann. Der zunehmende Einsatz von Elektronik mit hohem Leistungsbedarf in Fahrzeugen vergrößert auch das Risiko induktiver Spannungsspitzen.

Bei einer fehlerhaften Versorgungsspannung begrenzt das Bauteil die Spannung und leitet die überschüssige Leistung gegen Masse ab und kann schließlich die falsche Versorgungsspannung, wie in Bild 2 gezeigt, komplett blockieren.

Der relativ flache Verlauf der Spannung gegenüber dem Strom bei der polymer-basierten Zenerdiode ermöglicht eine Begrenzung der Ausgangsspannung sogar dann, wenn sich die Eingangsspannung und die Quellenströme verändern.

Das polymer-basierte Bauteil bietet einen koordinierten Schutz mit einer Komponente, die ähnlich wie eine Zenerdiode reagiert, aber auch unter Fehlerbedingungen mit sehr hoher Verlustleistung ohne spezielle Kühlkörperstrukturen stabil arbeiten kann. Dabei sind die normalen Leiterbahnen einer Leiterplatte ausreichend für die Wärmeableitung.

Bei den hohen Datenraten von USB 2.0, IEEE 1394, DVI und HDMI können die parasitären Impedanzen herkömmlicher Schutzbausteine die Signalqualität verzerren und beeinträchtigen. Ein ESD-Schutz mit niedriger Kapazität ist entscheidend, um die Datenintegrität bei derart hohen Geschwindigkeiten zu sichern. Ein typisches HDMI-Schaltungsschutz-Design mit Tyco Electronics PESD-Bausteinen ist in Bild 3 gezeigt. Diese Schutzbausteine können elektrostatische Entladungen von empfindlichen Schaltungen ableiten und haben im Vergleich zu herkömmlichen MLV-(Multilayer Varistor) oder TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression) eine außerordentlich niedrige Kapazität.

PESD-Bausteine bieten ein besseres Leistungsverhalten als vergleichbare Komponenten bei Transmission-Line-Pulstests sowie bei Tests nach IEC 61000-4-2, insbesondere nach zahlreichen Entladungen (bis 1000). Die geringe Trigger-Spannung des Bauteils und seine niedrige Klemmspannung tragen ebenfalls zum Schutz empfindlicher elektronischer Komponenten bei.