So funktioniert eine Automotive-eFuse
Schützen, zurücksetzen, Einsatzbereitschaft wiederherstellen
Wie verhindern Automotive-eFuses, dass aus einem kleinen Fehler ein großer wird? In diesem Artikel wird beschrieben, was nach einem Kurzschluss zur Masse oder zur Batterie passiert und was eine Automotive-eFuse bewirken kann.
Hierbei handelt es sich um den zweiten Teil eines zweiteiligen Artikels. Der erste Teil »eFuses nehmen Kurzschlüssen die Brisanz« beschreibt was bei der Verwendung von eFuses als intelligenten Schutzvorkehrungen zu beachten ist.
Im ersten Teil dieses Artikels ging es darum, wie eine aus Leistungsschaltern und schnellen Komparatoren aufgebaute elektronische Sicherung (eFuse) Schutz vor gängigen Kurzschlüssen bieten kann. In diesem zweiten Teil nun soll untersucht werden, was nach dem Auftreten eines Fehlers passiert. Wir betrachten die Rückstelldynamik nach einem Masseschluss und erfahren, wie sich diese Funktionalität durch Diagnosefähigkeiten ergänzen lässt. Überdies werden Testergebnisse vorgestellt, die zeigen, wie sich dieses Konzept des Stromkreisschutzes im Kfz-Bereich mit realer Hardware verhält.
Erzwungener Reset: Wie regenerieren sich eFuses nach einem Kurzschluss?
Da die Schutzschaltung aus einem FET und einem Komparator besteht, kann ein Masseschluss einen Latch-up-Zustand verursachen. Wird der Ausgang zur Masse kurzgeschlossen, schaltet der zweite FET der Schaltung (Q2) ab und wird anschließend vom Komparator in diesem Zustand gehalten.
Selbst nach Behebung des Kurzschlusses hält der Komparator den FET im abgeschalteten Zustand fest, denn die Spannung an VOUT kann unter keinen Umständen größer werden als die Spannung am Negativ-Anschluss des Komparators. Die Schaltung ist damit verriegelt, sodass das angeschlossene Modul nicht mit Strom versorgt werden kann (siehe Bild 8 im ersten Teil des Artikels).
Eine Simulation der Schaltung verdeutlicht dieses Latch-up-Verhalten (Bild 1). Wie man im Diagramm erkennen kann, verbindet ein zeitgesteuerter Schalter, der den Schalter zwischen VOUT und Masse ersetzt, VOUT nach 2 ms mit der Masse und trennt diese Verbindung nach 4 ms wieder. Wenn der Schalter nach 4 ms wieder öffnet, kehrt der Ausgang jedoch nicht wieder auf 5 V zurück, da der Komparator den FET Q2 weiter im abgeschalteten Zustand hält.
Bild 1. Auch wenn die Verbindung zwischen Ausgang und Masse nach 4 ms wieder getrennt wird, kehrt die Schaltung nicht wieder in den Normalzustand zurück.
Das Platzieren eines Lastschalters parallel zu Q2 bewirkt, dass an den Negativ-Anschluss des Komparators eine höhere Spannung gelangt als an den Positiv-Pin (Bild 2). Dieser Schalter lässt sich mit einem GPIO-Pin eines Mikrocontrollers (MCU) oder eines System-on-Chip (SoC) ansteuern, um die Schaltung zurückzusetzen, damit an VOUT (und damit am Positiv-Anschluss) wieder 5 V liegen, wodurch die Spannung am Gate wieder auf 12 V ansteigt.
Bild 2. Ein Schalter parallel zu Q2 ermöglicht das Aufheben des Latch-up-Zustands nach einem Masseschluss.
Ein wichtiger Designaspekt der Schaltung ist, dass der Eingang des Lastschalters an die Verbindung zwischen den Drain-Anschlüssen der beiden FETs in Back-to-Back-Konfiguration gelegt werden muss, denn hierdurch ist sichergestellt, dass die Schaltung nach wie vor Schutz vor Kurzschlüssen zur Batterie bietet. Der Schalter besteht nämlich nur aus einem FET, dessen Body-Diode in die gleiche Richtung gepolt ist wie die von Q2. Abgesehen davon muss unbedingt sichergestellt werden, dass der Lastschalter die an VOUT auftretenden Batteriespannungen verkraftet.
Für dieses Beispiel wird empfohlen, die Nennspannung des Lastschalters so zu wählen, dass sie größer ist als die maximal 16 V betragende Batteriespannung. Der TPS22810-Q1 von Texas Instruments ist gut für den Einsatz als Reset-Lastschalter in dieser Anwendung geeignet.
An die Verbindung zwischen den Drains der Back-to-Back-FETs sollten keine weiteren Lasten angeschlossen werden, denn während eines Kurzschlusses zur Batterie ist die Body-Diode des Lastschalters in Durchlassrichtung gepolt, und ein zu hoher Strom könnte den Baustein beschädigen. Wenn der Strompfad am VIN-Pin des TPS22810-Q1 eine andere Last speist (z. B. ein Fehlerereignis an VIN), wird der Baustein ausfallen, da die Body-Diode den Rückstrom nicht mehr bewältigen kann.
Nach 2 ms wird der Masseschluss ausgelöst, wodurch VOUT auf Massepotenzial gezogen wird (Bild 3). Nach 3 ms ist der Lastschalter eingeschaltet, und nach 4 ms wird der Kurzschluss aufgehoben, da der zeitgesteuerte Schalter SW1 öffnet. VOUT kehrt dann umgehend wieder auf 5 V zurück, und am Gate von Q2 stellt sich wieder eine Spannung von 12 V ein. Nach 5 ms wird der Lastschalter abgeschaltet, und die Schaltung arbeitet wieder normal.
Bild 3. Die Simulation der mit einem parallelen Lastschalter versehenen Schaltung offenbart die korrekte Funktionalität.
Echtzeit-Strommessung verhindert Schäden während des Resets
Nachteilig an dieser Implementierung ist, dass es im Lastschalter zu hohen Strömen kommen kann, wenn der Masseschluss bei seinem Einschalten noch besteht (siehe die Kurve AM2). Bei 3 ms führt ein Masseschlusspfad durch die Body-Diode von FET Q1 und durch den Lastschalter. Dieses Szenario lässt sich verhindern, indem man die Schaltung mit einer Diagnosefunktion ausstattet, um die Höhe des Ausgangsstroms zu ermitteln, und indem man den Lastschalter außerdem schnell wieder abschaltet, wenn der Kurzschluss fortbesteht.
Ein zusätzlich eingebauter Strommessverstärker kann Auskunft über den Zustand des angeschlossenen Moduls geben und lässt sich für Diagnosezwecke verwenden. Im weiter oben angeführten ersten Beispiel möchte man möglicherweise wissen, ob die Antenne angeschlossen ist, ob sie sich im aktiven Zustand befindet und ob ein Kurzschluss oder eine Stromkreisunterbrechung vorliegt. Der Strommessverstärker INA180A2-Q1 in Kombination mit einem 200-mΩ-Strommesswiderstand eignet sich zum Erkennen dieser Zustände.
Die nachfolgend angegebenen Stromwerte verdeutlichen, welche Systemspezifikationen für die verschiedenen Zustände der Antenne stehen:
Ausgangsstrom < 10 mA: Antenne nicht angeschlossen oder Kurzschluss zur Batterie
10 mA < Ausgangsstrom < 25 mA: Antenne angeschlossen und inaktiv
25 mA < Ausgangsstrom < 400 mA: Antenne angeschlossen und aktiv
Ausgangsstrom > 400 mA: potenzieller Masseschluss
Die Kombination aus dem INA180A2-Q1 und dem Strommesswiderstand resultiert in den folgenden Ausgangsspannungen, die sich mit dem integrierten A/D-Wandler eines Mikrocontrollers problemlos umwandeln lassen:
Ausgangsstrom < 10 mA: 20 mV bis 100 mV am Ausgang des INA180A2-Q1
10 mA < Ausgangsstrom < 25 mA: 100 mV bis 250 mV am Ausgang des INA180A2-Q1
25 mA < Ausgangsstrom < 400 mA: 250 mV bis 4 V am Ausgang des INA180A2-Q1
Ausgangsstrom > 400 mA: 4 V bis 5 V am Ausgang des INA180A2-Q1
Der von einer digitalisierten Spannung repräsentierte Strom dient als Diagnoseinformation, mit der sich die Einschaltzeit des TPS22810-Q1 für den Reset nach einem Masseschluss bestimmen lässt. Dank seiner großen Bandbreite von 210 kHz ist der INA180A2-Q1 in der Lage, rasch auf einen Masseschluss am Ausgang zu reagieren.
Liegt ein Masseschluss vor, sollte das System den TPS22810-Q1 so schnell wie möglich abschalten, damit sich der Baustein nicht erwärmt. Die Abschaltzeit wird im Wesentlichen durch die Lesezeit des A/D-Wandlers im MCU sowie durch die Zeit bis zum Setzen des GPIO-Signals bestimmt.
Das System sollte den TPS22810-Q1 außerdem nur in bestimmten Zeitabständen zu Diagnosezwecken einschalten, damit der Lastschalter zwischen den Tests abkühlen kann, wenn ein Masseschluss länger fortbesteht. Bild 4 zeigt die gesamte Lösung.
Bild 4. Gesamtschaltbild der diskreten eFuse-Lösung einschließlich des zu Diagnosezwecken dienenden Strommessverstärkers.
Testen der Schaltung
Welche Ergebnisse sich beim Testen des Designs mit realer Hardware ergaben, geht aus den Bildern 5, 6 und 7 hervor.
Bild 5. Bei einem Kurzschluss der Ausgangsspannung (blau) zu 12 V bleibt die Sourcespannung (orange) auf 5 V. Die Gatespannung von Q1 (grün) wird im Kurzschlussfall umgehend auf low gezogen, während die Gatespannung von Q2 (pink) unbeeinflusst bleibt.
Bild 6. Wird die Ausgangsspannung (blau) zur Masse kurzgeschlossen, bleibt die Sourcespannung (orange) auf 5 V. Die Gatespannung von Q2 (pink) wird während des Kurzschlusses umgehend auf low gezogen, während sich die Gatespannung von Q1 (grün) nicht ändert.
Bild 7. Nach Aufhebung des Masseschlusses erfordert die Schaltung ein Aktivieren des Lastschalters (grün), um die Ausgangsspannung (blau) wiederherzustellen. Die Gatespannung (pink) steigt wieder auf die Batteriespannung an, während die Sourcespannung (orange) stabil bleibt.
Performance, Flexibilität und Kosten von Automotive-eFuses im richtigen Gleichgewicht
Das Verifizieren der Spannung an den FETs und am Strommesswiderstand ist in dieser Anwendung entscheidend, um die korrekte Funktion zu gewährleisten. Im vorliegenden Beispiel kommt der Automotive-taugliche FET DMN2050LFDB von Diodes Inc. zum Einsatz. Jeder FET hat einen RDS(on)-Wert von rund 45 mΩ, und infolge der Back-to-Back-Konfiguration der beiden FETs verdoppelt sich der RDS(on) auf etwa 100 mΩ. Zusammen mit dem in Reihe geschalteten Strommesswiderstand von 200 mΩ ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 300 mΩ zwischen Versorgungsspannung und VOUT.
Setzt man einen maximalen normalen Betriebsstrom von 400 mA an, lässt sich mit dem ohmschen Gesetz (U = I ∙ R) der Spannungsabfall an den in Reihe geschalteten Widerständen berechnen: 400 mA ∙ 300 mΩ = 120 mV. Subtrahiert man diese 120 mV von der Versorgungsspannung von 5 V, erhält man eine Ausgangsspannung von 4,88 V, die deutlich im Toleranzbereich von Modul B liegt und sogar noch Raum für weitere Spannungsabfälle aufgrund von Kabelwiderständen lässt.
Die vielleicht wichtigste Eigenschaft dieses Designs sind seine minimalen Kosten. Es gibt allerdings höherintegrierte Lösungen, die mit weniger Platzbedarf weitgehend dieselbe Funktionalität bieten. Zum Beispiel hat TI mit dem Baustein TPS25940-Q1 eine vollintegrierte eFuse in einem 3 mm x 4 mm großen Gehäuse im Angebot. Der Platzbedarf ist damit wesentlich geringer als bei der diskreten Implementierung. Die Preise der Hauptbauteile jeder Lösung (bei einer Abnahmemenge von 1.000 Stück) machen jedoch die Kostenersparnis der diskreten Lösung deutlich (Tabelle 1).
Tabelle 1. Kostenvergleich zwischen diskreter Lösung und vollintegrierter eFuse.
Bei der Entwicklungsarbeit geht es häufig um ein Abwägen zwischen verschiedenen Faktoren. Die diskrete eFuse mag zwar nicht die kleinste verfügbare Lösung sein, ist aber kostenmäßig im Vorteil und bietet zudem zahlreiche Möglichkeiten der Optimierung.
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.
