Elektronische Absicherung von Fahrzeugbordnetzen bis 48 V

| Autor / Redakteur: Ralf Hickl, Uwe Rahn* / Thomas Kuther

Sicherungsersatz mit der iFuse von Bosch

Bosch entwickelt derzeit ein hochintegriertes ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), genannt iFuse, für 12-, 24- und 48-V-Anwendungen. In Verbindung mit einem Mikrocontroller und N-Kanal-Power-MOSFETs lässt sich mit der iFuse eine Halbleitersicherung mit vier Kanälen aufbauen. Dafür integriert die iFuse Funktionen eines System-Basis-Companion-Chips wie Spannungsversorgung, Watchdog und Versorgungsspannungsüberwachung für den Mikrocontroller. Hinzu kommen die Gatetreiber für die als Schalter verwendeten N-Kanal-MOSFETs.

Das Geniale an dieser Lösung: Die Strommessung kommt ohne externe Sensoren wie Shuntwiderstände aus.

Die Grundfunktion „Abschalten bei Überstrom“ arbeitet auch autonom, ohne Zutun des Mikrocontrollers. Über die SPI-Schnittstelle des Mikrocontrollers wird der Baustein konfiguriert, die Ausgänge und der Watchdog werden angesteuert und die Status- und Diagnosedaten können zurückgelesen werden.

Zwei Schaltregler zur Spannungserzeugung

Die iFuse beinhaltet einen Tiefsetzsteller (Buck Converter) zum direkten Anschluss an das Bordnetz sowie nachgeschaltete Linearregler zur internen Spannungsversorgung und zur externen Speisung des Mikrocontrollers. Ein interner Hochsetzsteller erzeugt die Gatespannungen für die Schalttransistoren. Beide Schaltregler verfügen über interne FETs, so dass nur wenige externe Bauelemente nötig sind.

Mit einem externen MOSFET kann die iFuse verpolsicher gemacht werden. Die iFuse arbeitet ab einer Versorgungsspannung von 3,5 V dauerhaft, auch unmittelbar nach dem Einschalten und durchläuft damit ebenso einen Start-Spannungseinbruch (Cold Cranking).

Ein Mikrocontroller übernimmt die Lichtbogenerkennung

In Kombination mit einer intelligenten Last mit Busanbindung unterstützt die iFuse die Möglichkeit zur Lichtbogenerkennung. Dazu ermitteln sowohl der Mikrocontroller über die iFuse als auch die intelligente Last Versorgungsspannung und Strom. Die beiden Werte werden über den Mikrocontroller im Steuergerät der iFuse verglichen. Ist der von der Last ermittelte Strom kleiner als der über die iFuse gemessene, so deutet das auf einen Lichtbogen parallel zur Last hin. Ist die von der Last gemessene Versorgungsspannung kleiner als die über die iFuse ermittelte Versorgungsspannung, so könnte ein Lichtbogen in Reihe zur Last die Ursache dafür sein.

Ein weiteres Verfahren zur Lichtbogenerkennung verwendet die Spektralanalyse der Versorgungsspannung oder des Laststromes. Diese Aufgabe könnte der Mikrocontroller mit DSP-Fähigkeit im Steuergerät der iFuse übernehmen. Die iFuse bietet die dafür nötigen Messsignale, die bis hin zu hohen Frequenzen abgebildet werden. Für Lasten die über keine eigene „Intelligenz“ verfügen bzw. nicht kommunikationsfähig sind, ist das in Verbindung mit der Überstromüberwachung oft völlig ausreichend.

Alle Merkmale der iFuse von Bosch auf einen Blick

  • Vier unabhängige Sicherungskanäle,
  • System-Basis-Chip für elektronische Sicherungen für 12 ... 48 V,
  • Spannungsbereich bis 70 V,
  • sanftes Einschalten für große kapazitive Lasten,
  • bidirektionale Strommessung ohne externe Shunt-Widerstände,
  • intelligente Messbereichsauswahl für höchste Messgenauigkeit bei jeder Stromhöhe,
  • Power Supply für Mikrocontroller und Power MOSFETs,
  • spezifiziert für Spannungsbereich bis herunter auf 3,5 V,
  • Watchdog zur Überwachung des Mikrocontrollers,
  • Temperatursensorik inside,
  • Versorgungsspannungsüberwachung,
  • SPI-Schnittstelle zum übergeordneten Mikrocontroller,
  • Statussignale individuell für alle vier Kanäle,
  • kompaktes Gehäuse TQFP64epad.

Die iFuse-Schutzfunktionen im Überblick

  • Sicherungsfunktion bei Überstrom stand-alone ohne Eingriff des Mikrocontrollers,
  • volle Sicherungsfunktion bis 3,5 V Versorgungsspannung,
  • Überstromerkennung und Abschaltung in weniger als 10 µs,
  • Verpolerkennung und Verpolschutz,
  • Überstromerkennung und Abschaltung im aktiven und Sleep-Modus,
  • individuelle Übertemperaturerkennung der internen Gatetreiber,
  • unterstützt Lichtbogenerkennung ohne Auswirkung auf Sicherungsfunktion.

iFuse bietet eine Reihe von Vorteilen

  • Eine Basis für smarte Sicherungen passend für alle LV-Bordnetze,
  • Geringer Platzbedarf durch hohe Integration,
  • Robuste Spannungsversorgung mit Automotive Grade,
  • Stromsparmodi für Energieeffizienz,
  • Leicht durchführbare Systemdiagnose,
  • Schnelle und genaue Stromerfassung ohne externe Bauelemente,
  • Option für bidirektionales Trennen wie bei Schmelzsicherung.

* Ralf Hickl ist Product Sales Manager Automotive Business Unit, Uwe Rahn ist Director Automotive Business Unit, beide bei der Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH.

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