Smarter Automobilelektronik-Schutz
eFuses nehmen Kurzschlüssen die Brisanz
Mit eFuses lassen sich intelligente Schutzvorkehrungen gegen gängige Kurzschluss-Szenarien in der Automobilelektronik realisieren. Was hierbei zu beachten ist, beschreibt dieser Artikel.
Dies ist der erste Teil eines zweiteiligen Artikels. Der zweite Teil, der in Kürze ebenfalls auf www.elektronik-automotive.de erscheint, beschreibt wie eine smarte Automotive-eFuse funktioniert und was nach einem Kurzschluss zur Masse oder Batterie passiert.
In Automobilsystemen ist die Integrität jeder einzelnen elektrischen Verbindung wichtig. Die Kabel, die Elektronikmodule miteinander verbinden, sind jedoch insbesondere durch zwei gängige Ausfallarten gefährdet, nämlich durch Kurzschlüsse zur Masse und zur Batterie.
Zu einem Masseschluss kann es beim Verbinden zweier Leitungen oder durch Kontakt einer Leitung mit Metallteilen des Fahrzeugs kommen. Ursachen können Schäden an Isolierungen oder Steckverbindern ebenso sein wie beispielsweise das unbeabsichtigte Eindringen von Schrauben in einen Kabelbaum während der Montage. Kurzschlüsse zur Batterie dagegen können unter anderem auftreten, wenn Signalleitungen im elektrischen System versehentlich mit der Batteriespannung (VBAT) verbunden werden.
In beiden Fällen werden elektronische Module, Bauelemente oder Schaltungen unter Umständen mit Spannungen oder Strömen konfrontiert, die den jeweils zulässigen Bereich übersteigen – mit möglicherweise kostspieligen oder gar gefährlichen Konsequenzen (Bild 1).
Bild 1. Kabel sind während der Montage anfällig für unterschiedliche Kurzschluss-Szenarien.
Viele ICs, die in Automotive-Anwendungen zum Einsatz kommen, enthalten Leistungsschalter mit Strombegrenzung und Ausgängen zum Signalisieren von Fehlern, damit die beschriebenen Kurzschlusszustände detektiert und sicher gehandhabt werden können. Bei einem Kurzschluss zur Masse oder zur Batterie setzen diese Bauelemente ein Fehlersignal, das in der Regel an einen Ausgangspin herausgeführt wird und dem System das Einleiten von Gegenmaßnahmen ermöglicht. Das Bauteil kann als Reaktion auf einen erkannten Fehler beispielsweise eine automatische Abschaltung veranlassen oder den Strom so begrenzen, dass weder am Bauteil selbst noch an anderen Systemkomponenten Schäden auftreten können.
Allerdings sind keineswegs alle Bauelemente und Schaltungen eines Systems mit entsprechenden Diagnose- und Schutzfunktionen ausgestattet, und selbst vorhandene Schutzvorkehrungen schützen nicht unbedingt vor allen Arten von Kurzschlüssen, zu denen es in einem Kraftfahrzeug kommen kann.
Als Beispiel sei ein Gleichspannungswandler angeführt, der sowohl interne Bauelemente auf der Leiterplatte als auch ein Verbindungskabel zu einem Modul mit Strom versorgt (Bild 2). Obwohl diese Stromversorgung gegen Masseschlüsse geschützt sein mag, können die Bauelemente auf der Leiterplatte nach wie vor durch Kurzschlüsse zur Batterie gefährdet sein, die Schäden verursachen können. Beim Schaltungsdesign ist in jedem Fall große Sorgfalt notwendig, um den Prozessor und alle weiteren Bauelemente auf der Leiterplatte zu schützen.
Bild 2. Wenn ein Verbindungskabel und Bauelemente auf einer Leiterplatte an denselben Spannungen liegen, kann ein Kurzschluss zur Batterie verheerende Folgen haben.
In Rechenzentren und ähnlichen Anwendungen haben vollintegrierte elektronische Sicherungen – sogenannte eFuses – bereits vermehrt Verbreitung gefunden. In diesem Artikel aber geht es darum, wie sich mit mehreren Leistungs-FETs eine diskrete eFuse-Schaltung realisieren lässt, die Schutz gegen Kurzschlüsse zur Masse und zur Batterie bietet.
Wann lassen sich Automotive-Stromversorgungssysteme mit Dioden schützen und wann nicht?
Eine in Reihe geschaltete Diode ist eine gängige Methode zum Schutz vor Kurzschlüssen zur Batterie. Die Diode sperrt, sobald die Verkabelung Kontakt zu einer Spannung bekommt, die höher ist als die Spannung an der Anode. Sie hält die höhere Spannung damit von den anodenseitigen Schaltungen fern und verhindert auch jeglichen Stromfluss in die umgekehrte Richtung (Bild 3).
Bild 3. Eine in Reihe geschaltete Diode ist eine ebenso einfache wie kosteneffektive Möglichkeit, interne Schaltungen vor zu hohen Spannungen infolge von Kurzschlüssen zur Batterie zu schützen.
In Serie geschaltete Dioden haben jedoch mehrere Nachteile, von denen der große Spannungsabfall in Durchlassrichtung der wichtigste ist.
Betrachten wir einen Fall, in dem ein Modul eine Antenne, die sich auf einem anderen Modul befindet, mit Strom versorgt (Bild 4). Modul B benötigt zur Versorgung der Antenne eine Spannung von 5 V (mit ±10 % Toleranz), die von einem 5-V-Regler auf Modul A erzeugt wird. Hier würde eine Diode mit einer üblichen Vorwärtsspannung von 700 mV die an Modul B gelangende Spannung auf 4,3 V begrenzen – zu wenig also, um die erforderliche Mindestspannung von 4,5 V (5 V minus 10 %) einzuhalten.
Bild 4. Mit einem N-Kanal-FET lässt sich der Kurzschlussschutz ohne den großen Spannungsabfall einer in Reihe geschalteten Diode realisieren.
Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung einer Schottkydiode, deren Vorwärtsspannung mit 200 bis 300 mV deutlich niedriger wäre. Schottkydioden aber sind üblicherweise teurer als Standard-Dioden und schützen außerdem nur gegen den einen besonderen Kurzschlussfall, bei dem die Katode an einer höheren Spannung liegt als die Anode. Schutz vor Masseschlüssen können weder eine normale Diode noch eine Schottkydiode bieten. Hinzu kommt, dass die zwischen 200 und 300 mV liegende Vorwärtsspannung einer Schottkydiode das Hinzufügen von Diagnosefunktionen zu der Schaltung vereiteln würde.
Einsatz von FETs gegen Kurzschlüsse zur Batterie
Mit einem N-Kanal-FET kann ein Schutz gegen Kurzschlüsse zur Batterie ohne den hohen Spannungsabfall einer in Reihe geschalteten Diode implementiert werden.
Hierbei wird die Body-Diode des FET in dieselbe Richtung geschaltet wie die Seriendiode. Wird das Gate des FET mit der Bordnetzspannung des Fahrzeugs verbunden, ist genügend Spannung vorhanden, um den FET vollständig anzureichern. Solange also die Source-Spannung mindestens um die Schwellenspannung des FET niedriger ist als die Bordnetzspannung, kommt im FET nur der sehr geringe RDS(on)-Wert zum Tragen, weshalb die an ihm abfallende Spannung sehr gering ist.
Für den Kurzschlussfall sind einige zusätzliche Schaltungen zum schnellen Abschalten des FET erforderlich. Ein einfacher Komparator reicht, um die Gatespannung schnell herunterzuziehen, sobald am Ausgang eine Spannung liegt, die größer ist als die erwarteten 5 V.
In dieser Situation ist es sehr wichtig, einen Komparator mit großem Eingangsspannungsbereich wie den TL331B-Q1 von Texas Instruments zu wählen, denn der Negativ-Anschluss des Bausteins kann bei Kurzschlüssen zur Batterie mit hohen Spannungen konfrontiert werden. Die Komparatorschaltung wird hier so implementiert, dass die Ausgangsspannung des Moduls nach dem FET (VOUT) mit dem Negativ-Anschluss des TL331B-Q1 verbunden wird (Bild 5). Es soll sichergestellt sein, dass der Komparatorausgang den Gateanschluss des FET herunterzieht, wenn die an VOUT liegende Spannung die vorgesehene Ausgangsspannung um einen bestimmten Betrag überschreitet.
Bild 5. Mit einem Komparator lässt sich das rasche Abschalten des N-Kanal-FET im Kurzschlussfall gewährleisten.
Soll, ähnlich wie im weiter oben angeführten Beispiel, an VOUT eine Spannung von 5 V ±10 % liegen, ist es sinnvoll, die Referenz auf mehr als 5,5 V (5 V plus 10 %) einzustellen und die Referenzspannung mit einem einfachen Spannungsteiler aus der normalerweise über 5,5 V liegenden Bordnetzspannung abzuleiten.
Bei vielen Automotive-Schaltungen muss sichergestellt sein, dass sie bei Spannungen zwischen 9 und 16 V ordnungsgemäß funktionieren, denn die Bordnetzspannung kann stark schwanken. Die Referenzspannung sollte in diesem Fall deshalb mit einem Spannungsteiler, der aus einem 500-Ω- und einem 1-kΩ-Widerstand besteht, aus der 12-V-Bordnetzspannung abgeleitet werden.
Interessant ist das Betrachten der Spannungsextreme. Bei der Mindest-Bordnetzspannung von 9 V ergibt sich eine Referenzspannung von 6 V, also mehr als die Grenzspannung von 5,5 V. Beträgt die Bordnetzspannung dagegen 16 V, hat die Referenzspannung einen Wert von rund 10,7 V und ist damit immer noch geeignet, um einem Kurzschluss zur Batterie zu detektieren.
Sobald er aktiviert wird, erzwingt der Komparator das sofortige Abschalten des FET, dessen Body-Diode dafür sorgt, dass keine hohe Spannung an die Source-Seite des FET gelangt und nur ein minimaler Rückstrom fließen kann. Bei einem Kurzschluss des Ausgangs zur Bordnetzspannung (in diesem Fall 12 V) bleibt die geregelte 5-V-Leitung auf 5 V (Bild 6). Ein einzelner FET reicht jedoch nicht aus, um das Problem eines Masseschlusses zu beheben, denn die Body-Diode ist in diesem Fall leitend.
Bild 6. Mit einem FET lassen sich interne Schaltungen vor Kurzschlüssen zur Batterie schützen. Für den Schutz gegen Masseschlüsse ist jedoch zusätzlicher Schaltungsaufwand nötig.
Herausforderungen beim Umgang mit Masseschlüssen
Um auch gegen Masseschlüsse gefeit zu sein, bedarf es eines zweiten FET, dessen Body-Diode gegensinnig gepolt ist (Bild 7) und zu starke Stromflüsse im Fehlerfall unterbindet. Ähnlich wie beim ersten FET wird auch hier das Gate des N-Kanal-FET mit der Bordnetzspannung (12 V) verbunden, um den FET vollständig anzureichern.
Bild 7. Der TL331B-Q1 bietet zusammen mit Q2 Schutz vor Kurzschlüssen zur Batterie.
Ein Masseschluss erfordert zusätzliche Schaltungen zum schnellen Abschalten des FET, genau wie im Fall eines Kurzschlusses zur Batterie. Hier genügt ebenfalls ein einfacher Komparator, der die Gatespannung umgehend herunterzieht, sobald an ihm eine Spannung liegt, die niedriger ist als die erwarteten 5 V.
In dieser Situation wird ein zweiter Komparator mit weitem Eingangsspannungsbereich (TL331B-Q1) benötigt (Bilder 7 und 8). Die Modul-Ausgangsspannung wird nach dem FET (VOUT) mit dem Positiv-Anschluss des TL331B-Q1 verbunden.
Bild 8. Zum Schutz gegen Masseschlüsse wird ein zweiter Komparator in die Schaltung integriert, um die Funktion einer eFuse zu realisieren.
Eine zweite Referenzspannung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Komparatorausgang das Gate des FET herunterzieht, wenn die Spannung an VOUT die angestrebte Spannung um ein bestimmtes Maß unterschreitet. Gemäß der Soll-Spannung von 5 V ±10 % wird als Referenzspannung ein Wert kleiner als 4,5 V (5 V minus 10 %) gewählt. Erzeugt wird die Referenz mit einem Spannungsteiler bestehend aus einem 1-kΩ- und einem 4-kΩ-Widerstand, der mit der geregelten 5-V-Leitung verbunden wird.
Da dieses Design zwei Komparatoren benötigt, wird der ebenfalls von TI angebotene LM2903B-Q1 gewählt, der zwei Komparatoren mit gleichen Kenndaten in einem Baustein vereint. Die FETs in Back-to-Back-Konfiguration bilden gemeinsam mit den beiden Komparatoren die Grundlage für eine diskrete eFuse-Schaltung.
Im zweiten Teil dieser Artikelserie wird genauer darauf eingegangen, wie eine eFuse nach einem Masseschluss zurückgesetzt wird. Weitere Themen sind ergänzende Diagnosefunktionen und das Prüfen der Schaltung.
Der Autor
Jared Becker
ist Technical Sales Engineer bei Texas Instruments. Er hat seinen Bachelor of Science in Elektrotechnik an der Arizona State University absolviert und arbeitet seit mehr als zehn Jahren bei Texas Instruments.
