Verwendung intelligenter Leistungsschalter zur Überwindung der Beschränkungen einfacher Lösungen

Es einfach zu halten, ist ein bekannter Konstruktionsgrundsatz und hat sich in der Praxis bewährt. Denn je mehr Komponenten Sie hinzufügen, desto mehr Dinge können schief gehen oder unvorhergesehene Probleme verursachen. Dazu kommen noch die ganz offensichtlichen Folgen in puncto Materialeinsatz.

Dennoch gibt es bei jedem Grundsatz zahlreiche legitime Ausnahmen. Das gilt besonders dann, wenn Sie eine solide, absolut sichere Konstruktion anstreben, die unter normalen und extremen Bedingungen funktioniert und vorhersehbaren ebenso wie unvermeidbaren Belastungen standhält. Um zusätzliche Integrität zu gewährleisten, sollten Sie sich bei der Bewältigung störender Ereignisse weniger vom Mikrocontroller des Systems abhängig machen und stattdessen auf schnellere, zuverlässigere integrierte Hardware mit minimaler oder gar keiner Software setzen.

Nehmen wir den MOSFET-basierten Leistungsschalter, der in der Automobiltechnik und anderen Anwendungen weit verbreitet ist und traditionelle elektromechanische Relais ersetzt. Dutzende dieser Halbleiterschalter ermöglichen das eine einfache Ein- und Ausschalten der Stromschienen, die Motor-, Getriebe-, Beleuchtungs-, Brems-, Kabel- und Aufhängungssteuerung versorgen. Diese Halbleiterschalter bieten eine Lebensdauer von mehr als einer Million Zyklen und sind im Gegensatz zu elektromechanischen Relais nicht anfällig für Kontaktfehler aufgrund von Reibung, Alterung sowie Gasen oder Karbiden in der rauen Umgebung der Kfz-Technik.

Es ist konzeptionell einfach, einen universell einsetzbaren Ein-/Ausschalter zu bauen. Diese MOSFET-basierten Schalter können jedoch durch Kurzschlüsse und Spannungsstöße beim Schalten von Schaltkreisen mit hoher Energie während des Starts oder des regulären Betriebs beschädigt werden. Infolgedessen muss der Schalter mit verschiedenen energieabsorbierenden Schutzkomponenten umgeben werden, um eine höherentwickelte Funktion zu bieten. Diese zusätzlichen Komponenten können sich außerhalb des MOSFET-Schalters oder innerhalb seines Gehäuses befinden und machen ihn im Grunde zu einem intelligenten Leistungsversorgungsschalter (Abbildung 1).

Abbildung 1 : Ein einfacher MOSFET kann als Leistungsschalter fungieren (links), aber es fehlen ihm die energieabsorbierenden Komponenten (rechts), um sich vor unvermeidlichen Spannungsstößen und Kurzschlüssen zu schützen. (Bildquelle: ROHM Semiconductor, vom Autor geändert)

Nicht das Ende der Geschichte

Zu einem wirksamen Schutz gehört mehr, als geeignete Komponenten rund um den Leistungsschalter zu platzieren. Nahezu jede stromführende Schiene muss abgesichert werden, um zu verhindern, dass übermäßiger Strom den Leistungsschalter oder seinen Lastkreis beschädigt. Diese Überströme sind oft die Folge eines Fehlers in der Last.

Sie denken vermutlich gerade, das Überstromschutz doch ganz einfach und die Lösung bekannt sei: Es genügt, eine einfache, thermisch aktivierte Sicherung mit der Versorgungsschiene in Reihe zu schalten. Bei einem Überstrom wird die Sicherung aktiviert und geht in den Modus der Stromkreisunterbrechung, wodurch der Fluss des schädlichen Stroms vollständig unterbrochen wird.

Die Lösung mit den Sicherungen funktioniert sicherlich, aber in gewisser Weise tut sie das zu gut. Sobald die Sicherung durchbrennt, erhält der Mikrocontroller des Systems keinen Einblick in die Vorgänge am Lastmodul mehr und kann sie somit auch nicht mehr beeinflussen.

Aus diesem Grund verfügen viele kritische Schaltkreise auch über eine Funktion zur Stromüberwachung. Das gestattet dem Mikrocontroller ein vom Überstromerkennungs-IC erkanntes Fehlersignal auslesen und Signale an den intelligenten Leistungsschalter zu senden, um je nach Situation die Abschaltung oder wiederholte Abschalt-/Neustartzyklen einzuleiten.

Das kann jedoch zu einem instabilen Betrieb des Schaltkreises oder anderen Fehlfunktionen führen. Alternativ bieten die hochentwickelten intelligenten Leistungsschalter der AECQ-100-konformen Familie von ROHM Semiconductor Schutzfunktionen ohne zwischengeschalteten Mikrocontroller. Diese für Kfz-Technik zugelassenen (AEC-Q100-konformen) Komponenten sind als Low-Side- oder High-Side-Schalter in ein- und zweikanaligen Konfigurationen erhältlich. Sie bieten verschiedene 8-polige Gehäuse und unterstützen mehrere Spannungs- und Strompegel.

Der BD1HD500FVM-CTR ist zum Beispiel ein Einkanal-High-Side-Schalter mit einem Betriebswiderstand (R_DS(ON)) von 500 Milliohm (mΩ) und einem Stromlimit von 1,45 Ampere (A) in einem 8-poligen MSOP-Gehäuse. Der einkanalige BV1LB025EFJ-CE2 hingegen ein Low-Side-Schalter mit einem R_DS(ON) von 45 mΩ und einem Stromlimit von 13 A in einem HSSOP-C16-Gehäuse.

Die intelligenten Leistungsschalter der AECQ-100-konformen Familie können im Schutzzustand einen minimalen Strompegel liefern, so dass der Schaltkreis (wenn möglich) weiter funktionsfähig bleibt, während ein Fehlersignal ausgegeben wird. Das erlaubt bei einem nicht zerstörerischen Ereignis das Absetzen eines „Notrufs“ ohne Unterbrechung des Schaltkreisbetriebs.

Außerdem verhindern diese hochentwickelten intelligenten Leistungsschalter Stromkreisausfälle. Diese können auftreten, wenn die mechanische Beanspruchung aufgrund von Alterung zunimmt, was zu einer erhöhten Stromaufnahme führt. Durch die Möglichkeit des unabhängigen Betriebs ohne den Umweg über einen Mikrocontroller wird die Anzahl der für diese Funktion erforderlichen Komponenten reduziert und gleichzeitig die Zuverlässigkeit erhöht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Abschaltung ist die einzige Option bei Verwendung eines standardmäßigen intelligenten Leistungsschalters. Ein intelligenter Leistungsschalter von ROHM unterstützt jedoch sowohl den Schutz vor Einschaltströmen als auch den statischen Betrieb nach Eingreifen des Einschaltschutzes. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Bei Sicherungen gibt es noch eine weitere Überlegung. Standard-Sicherungen mit genau definierten Betriebsspielräumen verhindern ein unbeabsichtigtes Abschalten aufgrund eines höheren Einschaltstroms während der Einschaltphase eines Systems oder Moduls (Abbildung 3, oben). Diese Spielräume bzw. die durch sie bedingte „Maskierung“ beeinträchtigt jedoch die genauer Festlegung von Grenzwerten.

Im Gegensatz dazu können die intelligenten Leistungsschalter von ROHM vor Einschaltstrom ohne unnötige Spielräume schützen (Abbildung 3, unten).

Abbildung 3: Eine herkömmliche Thermosicherung verfügt über einen Mehrdeutigkeitsbereich, der ein unbeabsichtigtes Auslösen aufgrund von Einschaltströmen verhindert (oben), während der intelligente Leistungsschalter von ROHM über ausgefeiltere Schwellen- und Grenzwerte verfügt (unten). (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Das Ergebnis ist de hochpräzise Erkennung selbst kleiner Stromabweichungen im statischen Betrieb. Da das Lastmodul weiterhin mit einem Mindeststrom versorgt werden kann, anstatt seinen Betrieb unmittelbar nach dem Auftreten einer Anomalie abzuschalten, kann ein Mikrocontroller weiterhin für vorbeugende Maßnahmen auf dieses Modul zugreifen und Anomalien während des Betriebs erkennen.

Das große Ganze im Blick

Die kombinierte Verwendung von Leistungsversorgungs- und Schutzkomponenten ist ein notwendiger, aber unzureichender Schritt zur Umsetzung eines effektiven Managements von Versorgungsschienen, insbesondere in schwierigen Kfz-Umgebungen. Wirksame Überstromschutzlösungen erfordern zusätzliche Sicherheit und Flexibilität.

Fazit

Eine unkomplizierte Konstruktion ist ein erstrebenswertes Ziel, aber in der Praxis führen Abwägungen und Feinheiten oft dazu, dass ein wenig mehr Raffinesse umsichtiger und besser ist. Mit den AECQ-100-konformen intelligenten Leistungsschaltern von ROHM erhalten Sie die Zuverlässigkeit, Flexibilität und Vorteile eines Halbleiter-Leistungsschalters bei gesenktem Materialeinsatz in Verbindung mit Informationen und Schutzfunktionen, die Sicherungen nicht bieten können.

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