Verpolungsschutz mit Super Barrier Rectifier für Kraftfahrzeug-ECUs

Gerd Kucera

Zur Implementierung des Batterie-Verpolschutzes für ECUs im Kfz beschreibt der Autor eine Lösung mit Super Barrier Rectifier (SBR) anstelle Schottly-Diode und zeigt die Stärken dieses Schutzes.

Bild 1: Die zur Versorgung der MOSFET-Gate-Spannung erforderliche Ladungspumpe erhöht die Komplexität und kann EMI-Probleme verursachen.
Bild 1: Die zur Versorgung der MOSFET-Gate-Spannung erforderliche Ladungspumpe erhöht die Komplexität und kann EMI-Probleme verursachen.
(Bild: Diodes)

Um sowohl den gesetzlichen Vorschriften hinsichtlich Sicherheit und Effizienz zu genügen als auch um den Konsumenten attraktive Komfortfunktionen zu bieten, sind Pkw immer abhängiger von Elektroniksystemen geworden. Die globalen Kraftfahrzeug-OEMs werden bis zum Jahre 2020 voraussichtlich Elektronik im Wert von nahezu 280 Milliarden US-$ in Kraftfahrzeuge einbauen.

Die Anzahl der verbauten elektronischen Steuereinheiten (ECUs) zur Regelung von Motor, Bremsen, Getriebe, für das Batterie-Management, zur Regelung von Türausrüstungen sowie für andere Aufgaben, liegt je nach Fahrzeugtyp zwischen 50 bis zu mehr als 100 Einheiten.

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Um die Zuverlässigkeit sicherzustellen, müssen die ECUs gegen beispielsweise verpolte Batterieverbindungen und elektrische Spitzenströme geschützt werden, die über die Verdrahtung ins Auto geleitet oder eingekoppelt werden. Batterieverpolungen können versehentlich auftreten, wenn die Batterie nach einer elektrischen Instandhaltung wieder angeschlossen oder am Ende ihrer Lebensdauer ersetzt wird; trotz aller Vorsichtsmaßnahmen wie Farbcodierung und mechanischer Polarisierung der Batterieanschlüsse sowie Stecker. Die ECUs des Fahrzeugs müssen daher in der Lage sein, diese Fehlerart unbeschadet zu überstehen.

Um die ECU gegen die Auswirkung einer Verpolung zu schützen, gibt es für Entwicklern viele Design-Möglichkeiten, die von einfachen Standard-Bausteinen bis zu kleinen anwendungsspezifischen ICs reichen. Jedoch hat jede dieser Methoden ihre eigenen Vorteile und Nachteile. Bei der Auswahl einer Lösung, die den Anforderungen einer gegebenen Anwendung am besten entspricht, müssen die Auswirkungen von Kosten, Energieeffizienz, Materialliste, elektromagnetischer Verträglichkeit sowie der Widerstandsfähigkeit gegen zutreffende Testimpulse nach ISO 7637 in die Betrachtung einbezogen werden. Bei der genannten ISO 7637 handelt es sich um eine Reihe von Impulsen, die zur Überprüfung der Verträglichkeit von in Fahrzeugen eingebauten Geräten gegen leitungsgeführte elektrische Störungen zusammengestellt wurden.

Auswahlmöglichkeiten für den Verpolschutz

Das einfachste Mittel zum Schutz gegen Batterieverpolung ist das Einschalten einer Gleichrichterdiode in Reihe mit der ECU-Last, sodass nur dann Strom fließen kann, wenn die Batterie richtig angeschlossen ist. Da kein Kontrollsignal benötigt wird, liegen sowohl die Schaltungskomplexität als auch die Zahl der benötigten Bauelemente auf niedrigem Niveau. Andererseits verbraucht die Diode Energie, wenn die ECU eingeschaltet wird, und zwar wegen ihrer Vorwärtsspannung VF, die in Hochleistungsanwendungen zu beträchtlichen Verlusten führen kann. Diese Verluste lassen sich durch die Spezifizierung eines Bausteins mit niedriger VF verringern, zum Beispiel einer Schottky-Diode anstelle eines Standard-Gleichrichters. Allerdings ist deren Rest-Sperrstromcharakteristik besonders temperaturabhängig; dadurch entstehen erhöhte Energieverluste, und der Baustein bleibt anfällig gegen thermisches Durchgehen, wenn eine hohe Rückwärtsleistung unter Hochtemperaturbedingungen angelegt wird.

Eine Alternative ist das Einfügen eines MOSFETs in die High-Side-Stromversorgung der ECU, wobei das Gate so angeschlossen wird, dass der Baustein nur dann einschaltet, wenn die Batteriepolarität korrekt ist. Da der Einschaltwiderstand des MOSFETs (RDS(on)) normalerweise bei lediglich einigen wenigen mΩ liegt, sind die I2R-Leistungsverluste im Vergleich zu den durch die VF der Diode hervorgerufenen Verlusten gering. Darüber hinaus ist die Rückwärtssperr-Performance robuster als die einer Schottky-Diode. Es kann sowohl ein N-Kanal- als auch ein P-Kanal-MOSFET verwendet werden, vorausgesetzt die Drain-Source-Body-Diode des Bausteins ist so ausgerichtet, dass sie den Strom leitet, der in der gewünschten Richtung in die ECU fließt.

Ein High-Side-Verpolschutz der Batterie lässt sich entweder mit einem N-Kanal- oder mit einem P-Kanal-MOSFET erreichen. Ein N-Kanal-Baustein bietet aufgrund seines niedrigen RDS(on) die Topologie mit der geringsten Verlustleistung. Jedoch wird zum Einschalten des MOSFETs eine Gate-Spannung benötigt, die höher ist als die Batteriespannung. Dazu benötigt man eine Ladungspumpe, wie in Bild 1 dargestellt, was die Schaltungskomplexität sowie die Bauelementekosten erhöht und zudem EMI-Probleme hervorrufen kann. Zwar könnte das Einschalten des N-Kanal-MOSFETs in die Low-Side die Notwendigkeit einer Ladungspumpe vermeiden, doch würde dadurch auch eine Verschiebung des Massepotenzials (Ground Shift) eingeführt, die für empfindliche Systeme im Automobil nicht akzeptabel ist.

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Ein P-Kanal-MOSFET vergleichbarer Größe hat zwar einen höheren RDS(on) und folglich höhere Leistungsverluste, er kann jedoch mit einer einfacheren Ansteuerschaltung, bestehend aus einer Zener-Diode und einem Widerstand, implementiert werden.

Eine alternative Lösung: der Super Barrier Rectifier

Eine Alternative zu diesen Lösungsansätzen gibt es mit der Leistungsdiode SBR (Super Barrier Rectifier); sie besitzt eine proprietäre Gleichrichtertechnologie von Diodes Incorporated, welche die Einfachheit und Robustheit einer herkömmlichen Diode mit der niedrigen Vorwärtsspannung einer Schottky-Diode vereint und auf diese Weise zu einer besonderen Lösung führt. Bild 2 zeigt, wie eine SBR in die High-Side-Versorgung der ECU eingeschaltet wird, ähnlich wie eine herkömmliche Diode.

Im Gegensatz zu einem typischen Schottky-Baustein erzeugt der Super Barrier Rectifier mithilfe eines MOS-Kanals eine Barriere mit niedrigem Potenzial für Majoritäts-Ladungsträger, woraus eine Kombination von niedriger VF mit hoher Zuverlässigkeit resultiert. Gleichzeitig weist der SBR einen niedrigeren Rückwärts-Leckstrom auf, der selbst bei hohen Temperaturen stabil bleibt und so die Energieverluste minimiert sowie das mit Schottky-Dioden verbundene Risiko eines thermischen Durchgehens vermeidet. Außerdem sorgt der Wegfall von Schottky-Übergängen für eine höhere Toleranz gegenüber Überspannungen. Und schließlich bestehen, im Gegensatz zu Schaltungen mit einem N-Kanal-MOSFET, keinerlei EMI-Bedenken, weil keine Ladungspumpe erforderlich ist.

Schutz gegen Transienten und Überspannungen

Der Schutzbaustein, der einen Stromfluss infolge einer verpolten Batterie verhindern soll, kann indessen auch selbst potenziell schädigenden Transienten ausgesetzt sein. Während in zahlreichen Arten von Schalttransienten Impulse kurzer Dauer entstehen können, liegt die Ursache der gefährlichsten Hochenergie-Impulse in Ereignissen wie einer plötzliche Trennung der Versorgung beim Speisen einer induktiven Last oder einem Lastabwurf, wenn die Batterie getrennt wird, während sie die Lichtmaschine lädt, was einen schwerwiegenden positiven Impuls zur Folge hat.

In der Norm ISO 7637 ist eine Reihe von Tests zur Verträglichkeit von elektrischen Transienten zusammengestellt, die eine ECU erfüllen muss. Diese sind so ausgelegt, dass sie unterschiedliche Worst-Case-Transienten simulieren, die in einem Fahrzeug auftreten können. Darunter simulieren der Impuls 1 beziehungsweise Impuls 5a die rauen Impulse infolge einer Trennung der Stromversorgung oder eines Lastabwurfs, welche die größten Bedrohungen der ECU-Verpolschutzbausteine darstellen.

In Bild 3 sind die Testbedingungen von Impuls 1 nach ISO dargestellt. Der Baustein für den Batterie-Verpolschutz muss in der Lage sein, diesen Impuls auszuhalten. Wird eine Schottky-Diode verwendet, muss der Baustein eine hohe Sperrspannung aufweisen, um die Überlebensfähigkeit zu gewährleisten. Die Abwägung liegt darin, dass Bausteine mit höheren Nennspannungen auch eine höhere VF haben, was zu höheren Verlusten führt.

Andererseits sind MOSFETs und SBRs durch wohldefinierte Avalanche-Eigenschaften gekennzeichnet, die den Einsatz einer niedrigeren Nennspannung für einen höheren Wirkungsgrad im Normalbetrieb erlauben. Im Allgemeinen hat ein SBR eine 10-fach bessere Avalanche-Fähigkeit als ein Schottky-Baustein mit gleicher Nennspannung, wie den Vergleichen in Bild 4 zu entnehmen ist. Bei einem sorgfältigen Design kann eine MOSFET-basierte Lösung eine Avalanche-Festigkeit liefern, die gleich der eines SBR ist.

Der Impuls 5a nach ISO 7637 ist in Bild 5 zu sehen. Dieser simuliert eine Lastabwurfbedingung und ist der schwerwiegendste positive Impuls, dem der Baustein ausgesetzt ist. Um sicherzustellen, dass der gewählte Schutzbaustein in der Lage ist, diesen Test unbeschadet zu überleben, benötigen Entwickler Informationen über dessen Durchlass-Stoßstromfestigkeit. Diese Informationen sind in den Datenblättern für AEC-Q101-qualifizierte SBRs enthalten.

Durch die Evaluierung der entscheidenden Kennwerte eines Batterie-Verpolschutz-ICs, einschließlich Effizienz, Kosten, Zuverlässigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit, ist es möglich, die Stärken des SBRs mit existierenden Schottky- und MOSFET-Technologien zu vergleichen. Die Tabelle fasst die Analyse zusammen. Diese Referenz kann Entwicklern helfen, den optimalen Lösungsansatz auf Grundlage der Prioritäten der Anwendungen auszuwählen.

Schlussbetrachtung: Es gibt eine Reihe von nutzbaren Lösungen für die Implementierung des erforderlichen Batterie-Verpolschutzes für ECUs im Kraftfahrzeug. Für die Schaltungsentwicklung müssen Faktoren wie Leistungsverbrauch und Kosten der ECU in Betracht zu ziehen, um eine optimale Kombination von Wirkungsgrad, Schaltungskomplexität, elektromagnetischer Verträglichkeit und Robustheit zu erreichen. Der Super Barrier Rectifier, der für Hochleistungs-, Hochtemperatur-Anwendungen wie im Automotive-Bereich entwickelt wurde, bietet eine preislich wettbewerbsfähige Alternative zur Schottky-Diode und kann in Situationen, bei denen größter Wert auf geringe Kosten, niedrige Komplexität und dem Wegfall von EMI-Problemen gelegt wird, einen besseren Wirkungsgrad und höhere Zuverlässigkeit liefern.

* Siva Uppuluri ist Applications Engineer bei Diodes Inc.

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