Automotive / Power-Management MOSFET statt Relais

Bemessung des High-Side-Treibers

Bild 3 zeigt in einem Diagramm die Strom-Zeit-Kennlinien des VN7007AH, eines mit einem Thermoplasten isolierten, handelsüblichen Drahtes (maximale Isolationstemperatur +90 °C, Querschnitt 0,5 mm²) und einer handelsüblichen Schmelzsicherung mit einem Bemessungsstrom von 15 A. Die Strom-Zeit-Charakteristik einer Sicherung gibt die Zeit bis zum Durchschmelzen in Abhängigkeit des Stroms bei einer bestimmten Umgebungstemperatur (meist +25 °C) an. Um ein koordiniertes Schutzsystem richtig zu gestalten, lassen sich die Eigenschaften des Kabels analog zu einer Sicherung darstellen. Hierbei ist die maximale Temperatur der Kabelisolierung zu berücksichtigen, damit nicht diese die Lebensdauer begrenzt. Der Kurvenverlauf für den VN7007AH gibt die Zeit bis zum ersten thermischen Abschalten bei gegebenem Überstrom (Effektivwert) wieder.

Bei dieser Darstellungsart lassen sich die Strom-Zeit-Charakteristika von Sicherungen und Kabeln einfach vergleichen. Für das zu schützende Kabel muss dessen Kurve rechts von der Sicherung und des VN7007AH liegen, damit die Kabelisolierung bei einem bestimmten Bemessungsstrom nicht beschädigt wird. Aus diesem Vergleich in Bild 3 kann man entnehmen, wie gut das 0,5 mm² dicke Kabel, die 15-A-Schmelzsicherung und das VN7007AH aufeinander abgestimmt sind. Bei Überlast oder Kurzschluss kann das VN7007AH das Kabel jederzeit schützen, da dessen Reaktionszeit immer kürzer ist als die Zeit, in der das Kabel beschädigt wird.

Darüber hinaus ist die I-t-Kurve des VN7007AH im Vergleich zur Auslösezeit der Sicherung ziemlich nah am Kabel. Dadurch lässt sich das System besser an Lasten oder Module anpassen, die einen höheren Anlaufstrom erfordern (z. B. Kondensator, Glühlampen und Motoren). Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass der VIPower Zero nicht ersetzt werden muss, etwa wenn eine normale Schmelzsicherung auslöst.

Dank der richtigen Dimensionierung des Schutzes können die VIPower-Zero-Bauteile auch den von den verschiedenen Modulen beim Einschalten geforderten hohen Strom bei kapazitiven Lasten liefern, ohne deren Ladezeit dramatisch zu erhöhen.

Im Beispiel in Bild 4 wird das VN7004CH verwendet, um einen 9-mF-Kondensator bei 13,5 V mit einer Gesamtimpedanz am Ausgang von 50 mΩ (einschließlich des ESR des Kondensators) zu laden. Die Kurven in Bild 4 zeigen, wie die Strombegrenzung beim Einschalten eingreift. Es fließen weniger als 140 A für weniger als 200 µs, und der Kondensator ist in weniger als 3,5 ms vollständig geladen.

Die VIPower-Zero-Familie

Die VIPower-Zero-Serie ergänzt das bereits fein abgestufte M0-7-Portfolio von STMicroelectronics. Tabelle 2 gibt einen allgemeinen Überblick über diese Bausteinfamilie. Diese beinhaltet komplexe Schutzfunktionen wie Laststrombegrenzung, aktives Überlast-Management durch Leistungsbegrenzung und Übertemperaturabschaltung mit Neustart- (der sogenannte »Auto-Restart«-Betrieb) oder Abschaltstrategie, die sich über einen speziellen Pin konfigurieren lässt.

Der Diagnoseausgang bietet verschiedene Rückmeldesignale, einschließlich Laststrom, Versorgungsspannung und einer Chiptemperatur sowie Überlast, Kurzschluss gegen Masse, Kurzschluss gegen die Versorgungsspannung und Informationen zum Auszustand bei offener Last.

Alle zu dieser Serie gehörenden Komponenten können bei umgekehrter Batteriespannung aktiv einschalten (der Leistungs-MOSFET schaltet niederohmig durch), um die Verlustleistung in einem solchen Fall zu reduzieren. Durch ihre Kaltstart-Kompatibilität sind die VIPower-Zero-Bausteine auch für Start-Stopp-Systeme und Anwendungen geeignet, die auch bei einer Akkuspannung von 3 V funktionieren müssen.

Der Zukunftstrend, Sicherungsboxen durch intelligente Halbleiterschalter zu ersetzen, ist bereits Realität. STMicroelectronics entwickelt einen neuen Satz von Bauelementen namens VIP-eFuse, der eine programmierbare I-t-Kennlinie implementiert, die jeweils auf die Last und den zu schützenden Kabelbaum abgestimmt ist.

ProduktnummerZahl der KanäleGehäuse

Versorgungs-

spannung

minimale Spannung bei Kaltstart

Durchlass-

widerstand

Diagnose-

informationen

Kurzschluss-

schutz

VN7003AHTR1Oktapak4 V – 28 V3 V3,5 mΩAusgangsstrom (analog)Auto-Restart
VN7003ALHTR1Oktapak4 V – 28 V3 V3,5 mΩAusgangsstrom (analog)Auto-Restart, Latch-off
VN7004CHTR1Oktapak4 V – 28 V4 V4,0 mΩAusgangsstrom (analog)Auto-Restart
VN7004CLHTR1Oktapak4 V – 28 V4 V4,0 mΩAusgangsstrom (analog)Auto-Restart, Latch-off
VN7007AHTR1Oktapak4 V – 28 V4 V7,0 mΩAusgangsstrom (analog)Auto-Restart
VN7007ALHTR1Oktapak4 V – 28 V4 V7,0 mΩAusgangsstrom (analog)Auto-Restart, Latch-off
VN7004AYTR2

PowerS-SO-36

4 V – 28 V4 V4,0 mΩAusgangsstrom (analog), Versorgungsspannung, ChiptemperaturAuto-Restart, Latch-up
VN7000AYTR1PowerS-SO-364 V – 28 V3 V1,5 mΩAusgangsstrom (analog), Versorgungsspannung, ChiptemperaturAuto-Restart, Latch-up

 

Tabelle 2: Übersicht über die VIPower-Zero-Familie von STMicroelectronics