Verpolungsschutz mit Super Barrier Rectifier für Kraftfahrzeug-ECUs

| Autor / Redakteur: Siva Uppuluri * / Gerd Kucera

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)

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.

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.

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.

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.

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