Surge stopper con basso assorbimento a riposo: una protezione robusta per l’alimentazione automotive conforme agli standard ISO 7637-2 e ISO 16750-2

I sistemi di alimentazione automotive producono transienti eccezionali, in grado di distruggere all’istante i componenti elettronici più esposti di un veicolo. Con il passare del tempo, data la proliferazione dell’elettronica a bordo-vettura, i produttori nel settore automotive hanno debitamente classificato le tipologie di guasto, compilando un “elenco dei sospetti” responsabili dei transienti d’alimentazione. Nel tentativo di impedire che l’elettronica più delicata cadesse vittima di questi eventi, i produttori hanno creato standard e procedure di test in modo autonomo. Tuttavia, di recente le case automobilistiche hanno combinato i loro sforzi con l’International Organization for Standardization (ISO) per sviluppare gli standard ISO 7637-2 e ISO 16750-2, che descrivono i transienti possibili e specificano i metodi di prova per simularli.

Gli standard ISO 7637-2 e ISO 16750-2

Lo standard ISO 7637 si intitola “Veicoli stradali—Disturbi elettrici da conduzione e accoppiamento” ed è una specifica sulla compatibilità elettromagnetica (EMC). Questo articolo riguarda la seconda delle tre parti di questo documento, ISO 7637-2 “Parte 2: Conduzione elettrica dei transienti sulle sole linee di alimentazione.” Nonostante l’ISO 7637 sia essenzialmente una specifica EMC, fino al 2011 includeva anche i transienti correlati alla qualità dei sistemi di alimentazione. Nel 2011, le parti non riguardanti l’EMC sono state spostate sull’ISO 16750, “Veicoli stradali — Condizioni ambientali e di test per apparati elettrici ed elettronici” nella seconda di cinque parti, “Parte 2: Carichi elettrici.”

Anche se la maggior parte dei produttori, piuttosto che aderire testualmente agli standard ISO 7637-2 e ISO 16750-2, continua a mantenere le specifiche e i requisiti interni, c’è comunque la tendenza verso una conformità più stretta alle norme ISO, con le specifiche dei produttori che seguono gli standard internazionali con scostamenti sempre più ridotti.

ISO 7637-2 e ISO 16750-2 forniscono le specifiche sia per i sistemi a 12V, sia per quelli a 24V. Per semplicità, questo articolo descrive le specifiche relative a 12V e presenta un circuito per proteggere l’elettronica connessa a un sistema di alimentazione automotive a 12V.

Load Dump

Il “Load dump” è il più critico tra i transienti di alimentazione a causa della considerevole quantità di energia che interessa l’evento. Si verifica quando l’alternatore sta caricando la batteria e il collegamento con quest’ultima viene a mancare.

Alternatori senza limitatore di tensione interno

Inizialmente, gli alternatori delle vetture erano privi del limitatore di tensione e durante i load dump potevano generare tensioni straordinariamente elevate, circa 100V per sistemi a 12V. Gli alternatori più recenti sono internamente limitati per contenere la tensione massima entro un valore più ridotto durante il load dump. Dato che gli alternatori meno recenti, ma anche alcuni modelli più moderni, non includono il limitatore interno, le specifiche sul load dump nello standard ISO 16750-2 sono suddivise in “Test A—senza soppressione centralizzata del load dump” e “Test B—con soppressione centralizzata del load dump.”

La Figura 1 mostra lo schema degli avvolgimenti dello statore di un alternatore trifase e del raddrizzatore a 6-diodi che converte l'uscita AC dello statore nella DC che carica la batteria. Quando il collegamento alla batteria viene a mancare, il flusso di corrente che ne deriva è illustrato in Figura 2. In mancanza dell'assorbimento di corrente di statore da parte della batteria, la tensione d'uscita cresce ai livelli elevatissimi visti durante il load dump senza limitatore, come si evince dalla Figura 3 ricavata dalla specifica ISO 16750-2. Questo corrisponde allo scenario dell'alternatore privo di limitatore descritto in “Test A— senza soppressione centralizzata del load dump.”

Figura 1: L’avvolgimento dello statore di un alternatore trifase standard e un raddrizzatore a 6-diodi producono la tensione DC d’uscita.

 

Figura 2: Forma d’onda di load dump senza limitatore: se durante la carica viene a mancare il collegamento con la batteria, la tensione in uscita dall'alternatore può salire fino a 100V.

Alternatori con limitatore di tensione interno

Gli alternatori più recenti utilizzano diodi a valanga che hanno tensioni inverse di breakdown ben specifiche e che limitano la tensione massima durante il load dump. La Figura 4 mostra l'andamento della corrente durante un guasto da load dump in un alternatore con limitatore che usa sei diodi a valanga nel raddrizzatore. Quando il produttore prescrive l'uso di un alternatore con limitatore, si applica il paragrafo “Test B— con soppressione centralizzata del load dump”. La Figura 5 mostra la forma d'onda limitata descritta su Test B nello standard ISO 16750-2. Sebbene l’ISO 16750-2 specifichi una tensione massima di 35V per questo scenario con limitatore, tenete presente che molti produttori si discostano dall'ISO 16750-2 fornendo specifiche proprie sul valore massimo della tensione.

Inoltre considerate che, quando il load dump è diventato parte dell’ISO 7637-2, è stato specificato soltanto un impulso, mentre quando la specifica di load dump è stata spostata all'ISO 16750-2 nel 2011 sono stati elevati i requisiti minimi di test includendo impulsi multipli con un minuto di intervallo tra l’uno e l’altro.

Figura 3: Forma d'onda di un load dump, come viene descritta nelle specifiche ISO 16750-2 (“Test A…”)

 

Figura 4: Load dump con limitatore: un alternatore con limitatore interno è dotato di diodi con tensione inversa di breakdown ben definita, che limitano la tensione in uscita a 35V durante il load dump.

Problemi di protezione con TVS

Nell’ISO 16750-2 è specificato che la resistenza interna dell'alternatore, Ri, nei Test A e B, si trovi tra 0,5Ω e 4Ω. Questo limita il valore massimo dell'energia inviata ai circuiti di protezione.

Tuttavia, nell’ISO 16750-2 vi è un aspetto trascurato frequentemente da chi ha implementato la protezione sui transienti da load dump: la resistenza interna, Ri, non appare in serie alla tensione limitata di 35V. In effetti Ri appare prima dei diodi a valanga, come si vede nella Figura 6.

Se i dispositivi elettronici a bordo sono protetti localmente da un dispositivo di shunt come un diodo TVS (transient voltage suppressor) con una tensione di breakdown inferiore a 35V, il TVS potrebbe essere costretto ad assorbire l'energia dell'alternatore. In questo scenario, i limitatori interni dell'alternatore non sono di grande aiuto. L'intera energia di load dump viene trasferita ai TVS sull'elettronica a bordo.

Talvolta viene installata una resistenza d’ingresso all'elettronica e al diodo TVS, ma sfortunatamente questa scelta introduce una caduta di tensione e un’ulteriore dissipazione di potenza nella resistenza stessa, anche durante il funzionamento normale.

Figura 5: Forma d'onda del load dump di un alternatore con limitatore di tensione.

 

Figura 6: Se l'elettronica a bordo è protetta da diodi TVS che entrano in break down a una tensione inferiore rispetto a quella limitata dell'alternatore, quest'ultimi dovranno assorbirne tutta l'energia.

Vantaggi della protezione attiva con un Surge Stopper

Una soluzione migliore consiste nell'uso di un dispositivo attivo di protezione in serie, come il surge stopper LTC4380 a bassa corrente di riposo. Lo schema a blocchi dell’LTC4380 è illustrato in Figura 7. Nella Figura 8 è invece illustrata una soluzione completa di protezione automotive.

Per sua stessa natura, un surge stopper protegge l'elettronica di downstream dai load dump e da altre condizioni descritte negli standard ISO 16750-2 e ISO 7637-2, senza fare affidamento sulla resistenza interna dell'alternatore.

La soluzione a surge stopper mostrata in Figura 8 fornisce alimentazione ininterrotta durante il funzionamento con un alternatore limitato in tensione. Inoltre, se fosse soggetto a un load dump da un alternatore non limitato, non verrebbe danneggiato. In uno scenario privo del limitatore, potrebbe spegnersi per auto-proteggersi e quindi automaticamente riapplicare l'alimentazione al carico dopo un periodo di raffreddamento. È importante notare che l'alimentazione viene interrotta soltanto in presenza di più guasti simultanei: l'installazione impropria di un alternatore senza limitatore e la disconnessione della batteria durante la carica.

Funzionamento della soluzione di protezione mediante surge stopper

Il progetto illustrato in Figura 8 protegge l'elettronica di downstream dai transienti descritti nelle specifiche ISO 16750-2 e ISO 7637-2, fornendo fino a 4A di corrente d'uscita. Allo stesso tempo, protegge il sistema a monte dagli eventi di “overcurrent” causati da condizioni quali guasto da corto circuito nell'elettronica in uscita. Nel fare questo, assorbe una corrente a riposo di soli 35µA, un aspetto importante nelle moderne vetture, che sono dotate di innumerevoli dispositivi che contribuiscono alla scarica della batteria durante le soste.

Questa soluzione di protezione si basa sul surge stopper con basso assorbimento di corrente LTC4380, che limita la tensione in uscita a 22,7V partendo da tensioni di ingresso che possono arrivare fino a 100V, una protezione sufficiente contro un load dump secondo la specifica ISO-16750-2 così come per gli impulsi descritti nella ISO 7637-2 1, 2a, 2b, 3a, e 3b. Inoltre impedisce il flusso di corrente in condizioni di collegamento inverso della batteria, e fornisce alimentazione di continuo durante il test di sovrapposizione di tensione alternata secondo ISO 16750-2 a livello di severità 1, dove la tensione AC picco-picco è 1V (in presenza di tensioni AC più elevate potrebbe disconnettere temporaneamente l'alimentazione). Per soddisfare i requisiti di tensione minima di alimentazione delle specifiche ISO 16750-2, l’alimentazione viene fornita al carico anche quando la tensione di ingresso si sposta verso il basso con valori fino a 4V.

I MOSFET di questo circuito vengono protetti limitando il tempo trascorso in condizioni di alta dissipazione di potenza, per esempio quando la tensione d'ingresso si innalza durante un load dump o quando l'uscita va in corto circuito verso terra. Se un guasto eccede le condizioni specificate nelle norme ISO 16750-2 e ISO 7637-2, il MOSFET M2 si spegne per proteggere circuito, riapplicando l'alimentazione dopo un opportuno ritardo.

Per esempio, una tensione in ingresso sostenuta di 100V, o un guasto da corto circuito in uscita fanno sì che il surge stopper si auto-protegga limitando la corrente su M2, spegnendosi poi del tutto se il guasto persiste. Questo metodo ha un netto vantaggio rispetto alla protezione che utilizza gli shunt, che deve dissipare potenza in modo continuo — interrompendo i fusibili nel migliore dei casi; innescando incendi in quelli peggiori.

Load dump e protezione overvoltage

Per comprendere il funzionamento del circuito in Figura 8, considerate la descrizione semplificata dell’LTC4380. Durante la normale operatività, il charge pump interno dell’LTC4380 pilota il pin GATE per far condurre M2. La tensione su GATE è limitata a un massimo di 35V rispetto a terra (quando SEL = 0V), limitando perciò la tensione di uscita al source di M2 a meno di 35V.

Il circuito in Figura 8 migliora ulteriormente quel limite di tensione aggiungendo il diodo a valanga D3 da 22V, in combinazione a R6, R7, R8, e Q2 per regolare la tensione in uscita al valore massimo di quella del diodo a valanga, 22V, più la tensione base-emitter di Q2, circa 0,7V. Quando la tensione in uscita eccede 22V + 0,7V = 22,7V, Q2 sposta verso il basso GATE di M2 per regolare il source di M2 e la tensione d'uscita a 22,7V.

Protezione da collegamento inverso

Il MOSFET M1, in combinazione a D1, D2, R1, R3, R4, e Q1, protegge il circuito dalle condizioni di tensione inversa. Quando l’ingresso scende al di sotto dello zero, Q1 abbassa il gate di M1 alla tensione negativa d’ingresso, mantenendo spento il MOSFET. Questo impedisce il flusso inverso di corrente quando la batteria viene connessa al contrario e protegge l'uscita dalle tensioni negative di ingresso.

Durante il funzionamento normale, quando l'ingresso è positivo, D2 e R3 consentono al charge pump interno dell’LTC4380 di attivare M1, di modo che quest'ultimo sia effettivamente un semplice dispositivo “pass-through”, dissipando meno di I2R = (4A)2 • 4,1mΩ = 66mW di potenza nell’NXP PSMN4R8-100BSE.

Limite SOA (Safe Operating Area)

Quando la tensione d'ingresso è alta, l'uscita di questo circuito viene limitata a un livello sicuro controllando il MOSFET M2. Questo produce una dissipazione di potenza significativa, dato che è presente una caduta di tensione su M2 mentre l'uscita invia corrente verso il carico.

Nel caso in cui l'ingresso sia soggetto a una condizione di overvoltage persistente, o si verifichi una condizione di guasto per overcurrent sull'elettronica collegata all'uscita del circuito, M2 viene disattivato per protezione dopo un periodo determinato dal circuito timer costituito da R13, R14, R15, C4, C5, C6, e C14. La corrente in uscita al pin TMR dell’LTC4380 è proporzionale alla tensione sul MOSFET M2 mentre M2 si trova in limitazione di corrente.

In effetti, è più corretto dire che la corrente su TMR è proporzionale alla potenza dissipata dal MOSFET M2. La rete resistenza/condensatore al pin TMR è simile al modello elettrico dell’impedenza termica al transiente del MOSFET. Questo serve a limitare la massima temperatura raggiunta dal MOSFET per tenerlo all'interno della sua zona operativa sicura (SOA).

Dato che in presenza di alte tensioni tra drain e source la corrente consentita dalla SOA del MOSFET scende, il diodo a valanga da 20V D6, insieme a R9, R11 e Q3 fornisce extra corrente al circuito del timer quando la differenza di tensione tra IN e OUT supera 20V più la tensione base-emitter di Q3. Il diodo a valanga da 4,7V D7 lavora con Q4, R12, e C3 per impedire che questa extra corrente porti il pin TMR al di sopra della sua tensione massima di lavoro di 5V.

Questo circuito di mantenimento della SOA permette all'uscita di rimanere alimentata in condizioni sicure quando la tensione d'ingresso sale a valori elevati. Se la condizione di guasto con dissipazione elevata si protrae troppo a lungo, il circuito si auto-protegge spegnendo M2.

Figura 7: Schema a blocchi del surge stopper LTC4380.

 

Figura 8: Un circuito basato sull’LTC4380 protegge l'elettronica in uscita dai transienti descritti nelle specifiche ISO 16750-2 e ISO 7637-2 fornendo fino a 4A di corrente d'uscita.

Protezione termica

La rete resistenza/condensatore del pin TMR dell’LTC4380 protegge il carico da eventi di durata inferiore a circa un secondo. Per tempi più lunghi, la temperatura di case di M2 viene limitata dal circuito connesso al pin ON dell’LTC4380.

Il termistore, RPTC, è un piccolo componente SMD tipo 0402 con una resistenza di 4,7k a 115°C. Sopra i 115°C, la sua resistenza cresce esponenzialmente con la temperatura. Per impedire che il circuito timer integri erroneamente degli offset del moltiplicatore di potenza, l’LTC4380 non genera corrente di timer al pin TMR finché la tensione drain-source di M2 raggiunge 0,7V. Con 4A e 0,7V, il MOSFET potrebbe dissipare 0,7V • 4A = 2,8W di continuo senza che il circuito TMR rivelasse l'aumento di temperatura del MOSFET. La resistenza PTC, RPTC, assieme alle resistenze R17–R21 e ai transistor Q5A, Q5B, Q6A, Q7A e Q7B, disattiva il circuito se la temperatura di case del MOSFET M2 supera i 115°C.

Non siate stupiti dal numero dei componenti del circuito di protezione termica. La soluzione completa è relativamente semplice da implementare e consiste di componenti dalle dimensioni contenute che occupano poco spazio sulla scheda. Si tratta di un circuito auto-compensato che raggiunge l'equilibrio quando il valore di RPTC equivale ai 4,75kΩ di R20. Quando la temperatura di RPTC, collocata in stretto contatto a M2, eccede i 115°C, la sua resistenza aumenta causando un maggiore flusso di corrente su Q5B rispetto a Q5A. Dato che questo risulta in un maggior flusso di corrente attraverso R17 rispetto a R18, la tensione di base di Q8A sale e il collettore di Q8A porta a un valore basso il pin ON dell’LTC4380, spegnendo M2. A temperature inferiori, la corrente di Q5A è più alta di quella di Q5B, e Q8A rimane spento, permettendo che il pull-up interno del pin ON lo tenga alto. Notate che la corrente del pin ON viene utilizzata per lo start-up di questo circuito auto-compensato attraverso il dispositivo Q8B connesso mediante un diodo.

Conclusione

Le specifiche ISO 16750-2 e ISO 7637-2 descrivono i transienti elettrici critici che si possono verificare nei sistemi automotive. Il surge stopper con basso assorbimento a riposo LTC4380 può essere utilizzato per proteggere l'elettronica a bordo da questi transienti, compresi gli impulsi di load dump limitati e non limitati. Il circuito descritto in questo articolo fornisce un funzionamento ininterrotto in presenza di impulsi di load dump generati da un alternatore moderno, con limitatore di tensione. In presenza di impulsi di load dump estremi e non limitati, il circuito si disattiva per proteggere l'elettronica in uscita. Il risultato è una soluzione robusta e conforme agli standard ISO 16750-2 e ISO 7637-2 per elettronica che assorbe correnti fino a 4A.

Sidebar 1

Nonostante il load dump sia tipicamente la condizione più critica descritta nell’ISO 16750-2, esistono molti requisiti supplementari.

Batteria invertita

La sezione 4.7 dell’ISO 16750-2 descrive la condizione di “tensione invertita” o quella che la maggior parte dei tecnici automotive definisce semplicemente come “batteria invertita.” Come vi potreste aspettare, questa specifica riguarda lo scenario di errore umano dove si connette la batteria con la polarità invertita. Ovviamente questo può portare effetti distruttivi, a meno che non venga fornita una protezione adeguata.

L’ISO 16750-2 prevede che a tutti gli ingressi venga applicata per 60 secondi una tensione inversa di test di 14V, per garantire che il sistema sopravviva senza alcun danno. Una condizione di test alternativa, con tensione inversa di 4V, è ugualmente consentita dall'ISO 16750-2, a condizione che in serie all’alternatore non sia presente alcun fusibile e che i diodi del raddrizzatore limitino la tensione conducendo la considerevole corrente erogata dalla batteria collegata all’inverso.

Minima e massima tensione d'alimentazione

Le tensioni minime e massime sono specificate nella sezione 4.2 “Alimentazione in corrente continua”. La massima tensione di alimentazione per sistemi a 12V è 16V, e la minima è di soli 6V. Per l’hardware che non è in grado di funzionare con soli 6V, nell’ISO 16750-2 vengono assegnati altri “codici” per classificare la tensione operativa minima del dispositivo. Per questo requisito è previsto che il dispositivo debba funzionare con continuità.

Overvoltage

La sezione 4.3 dell’ISO 16750-2 descrive i requisiti per la condizione di “overvoltage”. Il primo simula la condizione in cui il regolatore di tensione si è guastato. In questo test si applicano 18V per 60 minuti. Dipendentemente dall'applicazione, potrebbe non essere necessario che il dispositivo funzioni normalmente durante l'esecuzione del test, ma deve tornare a funzionare correttamente dopo la rimozione delle condizioni di prova.

La seconda condizione di test simula un “jump-start”, con l’applicazione di 24V per 60 secondi. Anche in questo caso non è richiesto che il dispositivo funzioni regolarmente durante la prova.

Tensione alternata sovrapposta

La sezione 4.4.2 fornisce le condizioni di test per simulare una corrente alternata residua sull'alimentazione a corrente continua. Una tensione AC del valore picco-picco di 1V, 2V, o 4V (definiti come “livello di severità”) viene passata più volte tra 50Hz e 25kHz. I picchi superiori della tensione sono a 16V e l'impedenza in serie tra 50mΩ e 100mΩ.

Cali di tensione

Le sezioni 4.5 e 4.6 dell’ISO 16750-2 riguardano le condizioni in cui l’alimentazione d’ingresso cala, a causa della scarica della batteria, oppure del guasto di un dispositivo di vettura che provoca l'interruzione di un fusibile, o quando il motore d'avviamento produce un abbassamento di tensione.

La sezione 4.5 “aumento e diminuzione progressivi della tensione l'alimentazione” simula la condizione in cui una batteria viene scaricata lentamente e quindi ricaricata. La tensione di alimentazione viene ridotta fino a 0V in alcuni minuti, quindi ripristinata lentamente. Ovviamente non è prevista l'operatività continua, ma lo scopo di questo test è di verificare che l'hardware non si guasti in modo distruttivo e che continui a funzionare regolarmente al ripristino dell'alimentazione.

Di contro, la sezione 4.6 “discontinuità nella tensione di alimentazione” riguarda una condizione molto più rapida che cerca di simulare un guasto in un altro circuito, che produce un abbassamento dell'alimentazione finché il fusibile di circuito stesso non si interrompe. In questo scenario, l'alimentazione scende a 4,5V per 100ms e quindi risale con tempi di salita e discesa inferiori a 10ms.

La parte successiva della sezione 4.6 specifica una serie di abbassamenti da 5 secondi, con tensioni progressivamente più basse. Lo scopo è di verificare che il dispositivo esegua il reset in modo appropriato dopo ogni abbassamento.

La terza e ultima parte della sezione 4.6 specifica una forma d'onda che rappresenta quella di un veicolo in fase d'avviamento. Viene applicata 10 volte al dispositivo sotto test. I valori esatti di tensione e durata dipendono dai livelli desiderati I, II, III o IV, determinati dall'applicazione. I limiti del livello I sono illustrati nella figura che segue.

Protezione da circuito aperto e da cortocircuito

La sezione 4.9 riguarda i test da “interruzione di linea” che descrive le procedure per assicurare che un dispositivo ritorni alla normale operatività dopo il distacco e il ripristino dell'alimentazione. La sezione 4.10 descrive i test della “protezione da cortocircuito” e richiede che tutti gli ingressi e le uscite vengano collegati(e) rispettivamente alla massima tensione d'alimentazione e a terra per 60 secondi.

Sidebar 2

Requisiti dello standard ISO 7637-2

Mentre la parte dell’ISO 7637-2 riguardante la qualità dell'alimentazione è stata spostata all'ISO 16750-2 nel 2011, gli impulsi 1, 2a, 2b, 3a, e 3b fanno ancora parte dell’ISO 7637-2.

Impulso 1

L'impulso 1 descrive il transiente negativo che interessa l'elettronica collegata in parallelo a un carico induttivo, quando viene interrotto il collegamento con l'alimentazione. L'impulso 1 inizia con la tensione d'alimentazione che collassa a 0V alla rimozione del collegamento. Subito dopo viene applicato un impulso da −150V con un periodo di decadimento di 2ms. L'energia dell'impulso negativo viene limitata dalla resistenza da 10Ω collegata in serie.

Impulso 2a

L'impulso 2a descrive lo spike di tensione positiva che si verifica quando si interrompe la corrente a un circuito collegato in parallelo all'elettronica sotto test. Se l'impianto elettrico è percorso da corrente, quando un dispositivo smette improvvisamente di assorbirne, l'energia immagazzinata dall'induttanza dell'impianto stesso può causare uno spike di tensione. L'energia di questo spike positivo viene limitata da una resistenza da 2Ω collegata in serie.

Impulso 2b

L'impulso 2b definisce una situazione che si verifica quando l'impianto di accensione viene spento e i motori DC funzionano da generatori.

Per esempio, se quando si spegne la vettura il riscaldamento è in funzione, per breve tempo il motore della ventola può fornire alimentazione DC al sistema, mentre si sta fermando.

Impulsi 3a E 3b

Gli impulsi 3a e 3b sono gli spike negativi e positivi che si possono verificare in conseguenza di eventi di commutazione, compresi gli inneschi di archi elettrici su switch e relè. Per questa specifica, l'energia viene limitata da una resistenza da 50Ω collegata in serie.

Rapporto di test indipendente

L’LTC4380 è stato collaudato in conformità agli standard ISO 7637-2 e ISO 16750-2 presso un laboratorio prove indipendente. Il rapporto completo del test è disponibile su http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/product-information/ltc4380_iso16750-2_iso7637-2_report.pdf

 

A cura di Dan Eddleman, Senior Applications Engineer, Analog Devices

 

 

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