Protector contra sobretensiones de baja corriente de reposo: robusta protección de la fuente de alimentación del automóvil para cumplir las normas ISO 7637-2 e ISO 16750-2

Las fuentes de alimentación de los automóviles producen formidables transitorios que pueden destruir fácilmente la electrónica de a bordo expuesta. Con el tiempo, a medida que la electrónica ha proliferado en los vehículos, los fabricantes de automóviles han tomado nota de los fallos, recopilando una galería de pícaros de los transitorios de potencia responsables. Los fabricantes crearon de forma independiente normas y procedimientos de prueba en un esfuerzo por evitar que la electrónica sensible fuera presa de estos sucesos. Sin embargo, recientemente los fabricantes de automóviles han unido fuerzas con la Organización Internacional de Normalización (ISO) para desarrollar las normas ISO 7637-2 e ISO 16750-2, que describen los posibles transitorios y especifican los métodos de prueba para simularlos

La norma ISO7637 se titula "Vehículos de carretera - Perturbaciones eléctricas por conducción y acoplamiento" y es una especificación de compatibilidad electromagnética (CEM). Este artículo trata de la segunda de las tres partes de este documento, la ISO 7637-2 "Parte 2: Conducción de transitorios eléctricos sólo a lo largo de las líneas de suministro"

Aunque la ISO 7637 es principalmente una especificación de CEM, antes de 2011 también incluía los transitorios relacionados con la calidad de la energía. En 2011, las partes relacionadas con la calidad de la energía y no con la CEM se trasladaron a la norma ISO 16750, "Vehículos de carretera - Condiciones ambientales y pruebas para equipos eléctricos y electrónicos" en la segunda de las cinco partes, "Parte 2: Cargas eléctricas"

Aunque la mayoría de los fabricantes mantienen sus propias especificaciones y requisitos en lugar de adoptar la ISO 7637-2 y la ISO 16750-2 al pie de la letra, hay una tendencia a un mayor cumplimiento de las normas ISO, y las especificaciones de los fabricantes siguen las normas internacionales con pequeñas variaciones.

Las normas ISO 7637-2 e ISO 16750-2 proporcionan especificaciones para los sistemas de 12V y 24V. Para simplificar, este artículo describe sólo las especificaciones de 12 V y presenta un circuito para proteger los dispositivos electrónicos conectados a una fuente de alimentación de 12 V para automóviles.

El desprendimiento de carga es el más difícil de los transitorios del suministro eléctrico debido a la importante energía que contiene. Se produce cuando el alternador carga una batería y se pierde la conexión de la misma

Alternadores sin pinzas de tensión internas

Originalmente, los alternadores de los coches no estaban sujetos y podían producir tensiones extraordinariamente altas durante la descarga, de unos 100 V para los sistemas de 12 V. Los alternadores más nuevos tienen pinzas internas para limitar la tensión máxima a un valor inferior durante la descarga. Como los alternadores más antiguos, y algunos modernos, no tienen pinzas internas, la especificación de supresión de carga de la norma ISO 16750-2 se divide en dos partes: "Prueba A-sin supresión de carga centralizada" y "Prueba B-con supresión de carga centralizada"

La figura 1 muestra un esquema de los devanados trifásicos del estator de un alternador y el rectificador de 6 diodos que convierte la salida de CA del estator en CC que carga la batería. Cuando se pierde la conexión de la batería, el flujo de corriente resultante es el que se muestra en la figura 2. Sin la batería para absorber la corriente del estator, la tensión de salida se dispara hasta las altísimas tensiones que se observan en una descarga de carga no bloqueada, como se muestra en la figura 3 de la especificación ISO 16750-2. Esto se corresponde con el escenario del alternador desenfrenado de la "Prueba A-sin supresión de carga centralizada"

Alternadores con pinzas de tensión internas

Los alternadores recientes utilizan diodos de avalancha que tienen tensiones de ruptura inversa bien especificadas que limitan la tensión máxima durante la desconexión de la carga. La figura 4 muestra el flujo de corriente durante un fallo de descarga en un alternador con pinzas que utiliza diodos de avalancha en el rectificador de seis diodos. Cuando el fabricante del vehículo impone un alternador con pinzas, se aplica la "prueba B con supresión de descarga centralizada". La figura 5 muestra la forma de onda sujeta de la prueba B de la norma ISO 16750-2. Aunque la norma ISO 16750-2 especifica una tensión máxima de 35 V para esta situación de sujeción, muchos fabricantes se desvían de la norma ISO 16750-2 proporcionando su propia especificación de tensión máxima.

Ten en cuenta también que cuando la descarga de carga formaba parte de la norma ISO 7637-2, se especificaba un solo pulso, pero cuando la especificación de descarga de carga cambió a la norma ISO 16750-2 en 2011, los requisitos mínimos de la prueba aumentaron para incluir múltiples pulsos con un intervalo de un minuto entre ellos.

Problemas de protección del TVS

La resistencia interna, R_idel alternador en los ensayos A y B se especifica entre 0,5Ω y 4Ω en la norma ISO 16750-2. Esto limita la energía máxima que se suministra a los circuitos de protección.

Sin embargo, hay un hecho que a menudo se pasa por alto por parte de quienes aplican la protección contra transitorios de carga y descarga de la norma ISO 16750-2: la resistencia interna, R_ino aparece en serie con la tensión de sujeción de 35V. R_i aparece realmente antes del diodo de avalancha, como se muestra en la figura 6

Si la electrónica de a bordo está protegida localmente por un dispositivo de derivación, como un diodo TVS (supresor de tensión transitoria) con una tensión de ruptura inferior a 35 V, el TVS puede verse obligado a absorber la energía del alternador. En este caso, las pinzas internas del alternador son de poca utilidad. Toda la energía de la descarga de la carga se transfiere al TVS en la electrónica de a bordo.

A veces se coloca una resistencia en serie delante de la electrónica y el diodo TVS, pero desgraciadamente esto introduce una caída de tensión y una disipación de potencia adicional en la resistencia, incluso en funcionamiento normal

Aunque la descarga de la carga es, en general, el requisito más exigente descrito en la norma ISO 16750-2, hay muchos requisitos adicionales.

El apartado 4.7 de la norma ISO 16750-2 describe la "tensión inversa" o lo que la mayoría de los ingenieros de automoción denominan simplemente "batería inversa" Como es de esperar, esta especificación cubre el escenario de error humano en el que alguien conecta una batería con polaridad inversa. Evidentemente, esto puede provocar la destrucción si no se proporciona una protección adecuada.

La norma ISO 16750-2 exige que se aplique una tensión de prueba inversa de 14 V a todas las entradas durante 60 segundos para garantizar que el sistema sobrevive sin sufrir daños. La norma ISO 16750-2 también permite una condición de prueba alternativa de 4 V de tensión inversa si no hay ningún fusible en serie con el alternador y los diodos rectificadores del alternador limitan la tensión conduciendo la gran corriente suministrada por la batería conectada en sentido inverso.

Las tensiones de alimentación mínimas y máximas se especifican en el apartado 4.2 "Tensión de alimentación de CC" La tensión de alimentación máxima para los sistemas de 12V es de 16V, y la mínima es de 6V. Para los equipos que no son capaces de funcionar a 6 V, se asignan otros "códigos" en la norma ISO 16750-2 para clasificar la tensión mínima de funcionamiento del aparato. Para este requisito, se espera que el equipo funcione continuamente.

El apartado 4.3 de la norma ISO 16750-2 describe los requisitos de la "Sobretensión". El primer requisito simula la condición en la que falla el regulador de tensión. En esta prueba, se aplican 18 V durante 60 minutos. Dependiendo de la aplicación, puede no ser necesario que el equipo funcione normalmente durante la prueba, pero debe volver al funcionamiento normal después de que se elimine la condición de prueba. La segunda condición de prueba simula un arranque con 24 V aplicados durante 60 segundos. De nuevo, puede que no sea necesario que el equipo funcione normalmente durante la prueba.

El apartado 4.4.2 proporciona las condiciones de prueba para "simular una corriente alterna residual en la alimentación de CC" Se barre varias veces una tensión alterna de pico a pico de 1V, 2V o 4V (especificada como "nivel de gravedad") de 50Hz a 25kHz. Los picos superiores de la tensión están a 16V y la impedancia en serie está entre 50mΩ y 100mΩ.

Los apartados 4.5 y 4.6 de la norma ISO 16750-2 tratan de las condiciones en las que la potencia de entrada disminuye, ya sea porque la batería se descarga, o porque otro dispositivo del coche falla y funde un fusible, o cuando el motor de arranque reduce la tensión de alimentación.

El apartado 4.5 "Disminución y aumento lentos de la tensión de alimentación" simula una batería que se descarga lentamente y luego se recarga. La tensión de alimentación se descarga hasta 0V en unos minutos y luego se vuelve a aumentar lentamente. Obviamente, no es necesario que funcione de forma continua, pero esta prueba verifica que el equipo no falla de forma destructiva y que funciona con normalidad cuando se restablece la alimentación.

En cambio, el apartado 4.6 "Discontinuidades en la tensión de alimentación" es una condición mucho más rápida que intenta simular un fallo en otro circuito que hace que la alimentación baje hasta que se funda el fusible del otro circuito. En este escenario, la alimentación cae a 4,5 V durante 100 ms, y luego se recupera con un tiempo de subida y bajada superior a 10 ms.

La siguiente parte del apartado 4.6 especifica una serie de caídas de potencia de 5 segundos, cada pulso con una tensión inferior a la anterior. El objetivo es comprobar que el aparato se reinicia correctamente tras una caída de tensión.

La tercera y última parte del apartado 4.6 especifica una forma de onda representativa del perfil de arranque de un vehículo. Se aplica al aparato sometido a prueba 10 veces. Las tensiones y los tiempos exactos requeridos dependen del nivel I, II, III o IV deseado, que viene determinado por la aplicación. Los límites del Nivel I se muestran en la figura siguiente.

En el apartado 4.9 se tratan las pruebas de "interrupción de la línea" y se describen los procedimientos para garantizar que un aparato vuelva a funcionar con normalidad después de que se haya retirado la conexión y se haya restablecido. En el apartado 4.10 se describen las pruebas de "protección contra cortocircuitos" y se requiere que cada entrada y salida se conecte a la tensión máxima de alimentación y a tierra durante 60 segundos.

Una solución mejor es utilizar un dispositivo de protección activa en serie, como el protector de sobretensión de baja corriente de reposo LTC4380. El diagrama de bloques del LTC4380 se muestra en la Figura 7. En la figura 8 se muestra una solución completa de protección del automóvil.

Por su propia naturaleza, un supresor de sobretensiones protege los componentes electrónicos posteriores de la caída de carga, así como de otras condiciones ISO 16750-2 e ISO 7637-2, sin depender de la resistencia interna del alternador. La solución del descargador de sobretensiones que se muestra en la figura 8 proporciona energía ininterrumpida mientras funciona con un alternador con bridas. Además, si se somete a una descarga de carga de un alternador sin sujetar, no se dañará. En el escenario sin sujeción, puede apagarse para protegerse y luego restablecer automáticamente la energía a la carga tras un periodo de enfriamiento. Es importante tener en cuenta que la energía sólo se corta si se producen varios fallos simultáneamente: se instala un alternador no adecuado y se pierde la conexión de la batería durante la carga.

Aunque las partes de calidad de la energía de la norma ISO 7637-2 cambiaron a la norma ISO 16750-2 en 2011, los pulsos 1, 2a, 2b, 3a y 3b siguen estando contenidos en la norma ISO 7637-2.

El pulso 1 describe el transitorio negativo que observa la electrónica conectada en paralelo a una carga inductiva cuando se interrumpe la conexión a la fuente de alimentación. El pulso 1 comienza con la caída de la tensión de alimentación a 0V cuando se elimina la tensión de alimentación. Poco después, se aplica un impulso de -150V con un tiempo de decaimiento de 2 ms. La energía del impulso negativo está limitada por la resistencia en serie de 10Ω.

El pulso 2a describe el pico de tensión positiva que puede producirse cuando se interrumpe la corriente en un circuito en paralelo con la electrónica sometida a prueba. Si se ha acumulado corriente en el mazo de cables, cuando un dispositivo deja de tomar corriente de repente, la energía almacenada en la inductancia del mazo de cables puede provocar un pico de tensión. La energía de este pico positivo está limitada por una resistencia en serie de 2Ω.

El pulso 2b define una situación que se produce cuando el encendido está desconectado y los motores de corriente continua actúan como generadores. Por ejemplo, si la calefacción está en marcha cuando el conductor apaga el coche, durante un breve periodo de tiempo el motor del ventilador puede suministrar corriente continua al sistema mientras está en marcha.

Los pulsos 3a y 3b son los picos negativos y positivos que pueden producirse como resultado de los procesos de conmutación, incluido el arco de los interruptores y relés. Para esta especificación, la energía está limitada por una resistencia en serie de 50Ω.

El diseño de la figura 8 protege los componentes electrónicos posteriores de los transitorios ISO 16750-2 e ISO 7637-2, a la vez que proporciona hasta 4 A de corriente de salida. Al mismo tiempo, protege el sistema ascendente de las sobrecorrientes causadas por condiciones como los fallos de cortocircuito en la electrónica descendente. Al hacerlo, consume unos míseros 35μA de corriente de reposo, una consideración importante en los automóviles modernos que tienen innumerables cargas que agotan la batería cuando el vehículo no está en marcha.

Esta solución de protección se basa en el descargador de sobretensiones de baja corriente de alimentación LTC4380, que limita la tensión de salida a 22,7 V a partir de tensiones de entrada de hasta 100 V en la entrada, lo que supone una protección suficiente contra la descarga de carga ISO-16750-2 y los impulsos ISO 7637-2 1, 2a, 2b, 3a y 3b. También evita el flujo de corriente en caso de inversión de la batería y proporciona energía continua durante la prueba de tensión de CA superpuesta ISO 16750-2 en el nivel de gravedad 1, donde la tensión de CA de pico a pico es de 1V. (Puede cortar temporalmente la alimentación a tensiones de CA más altas) La alimentación de CC se suministra a la carga cuando la tensión de entrada cae a 4 V para cumplir los requisitos de tensión de alimentación mínima de la norma ISO 16750-2.

Los MOSFET de este circuito se protegen limitando el tiempo que pasan en condiciones de alta disipación de energía, como cuando la tensión de entrada se dispara durante la descarga de la carga o cuando la salida se pone en cortocircuito a tierra. Si un fallo supera las condiciones especificadas en las normas ISO 16750-2 e ISO 7637-2, el MOSFET M2 se apaga para proteger el circuito, volviendo a suministrar energía tras un retardo adecuado

Por ejemplo, una tensión de entrada sostenida de 100 V o un fallo de cortocircuito aguas abajo hace que el supresor de sobretensiones se autoproteja limitando la corriente a través de M2 y apagándose completamente si el fallo persiste.

Protección contra descargas y sobretensiones

Para entender el funcionamiento del circuito de la figura 8, considera una descripción simplificada del LTC4380. En funcionamiento normal, la bomba de carga interna del LTC4380 impulsa la patilla GATE para mejorar M2. La tensión en GATE se sujeta a un máximo de 35V sobre tierra (cuando SEL = 0V), limitando así la tensión de salida en la fuente M2 a menos de 35V.

El circuito de la figura 8 mejora aún más este límite de tensión añadiendo un diodo de avalancha D3 de 22V, en combinación con R6, R7, R8 y 2 para regular la tensión de salida a un máximo de la tensión del diodo de avalancha, 22V, más la tensión base-emisor de Q2, aproximadamente 0,7V. Cuando la tensión de salida supera los 22V + 0,7V = 22,7V, Q2 tira del GATE de M2 ligeramente para regular la fuente de M2 y la tensión de salida a 22,7V.

Protección contra la inversión

El MOSFET M1, junto con D1, D2, R1, R3, R4 y Q1, protege el circuito de las condiciones de tensión inversa. Cuando la entrada cae por debajo de tierra, Q1 tira de la puerta de M1 hasta la tensión de entrada negativa, lo que mantiene el MOSFET sin energía. Esto evita el flujo de corriente inversa cuando la batería está conectada al revés y protege la salida de tensiones de entrada negativas

D2 y R3 permiten que la bomba de carga interna del LTC4380 potencie M1 durante el funcionamiento normal cuando la entrada es positiva, de modo que M1 es efectivamente un dispositivo de paso simple, que disipa menos I²R = (4A)² - 4,1mΩ = 66mW de potencia en el PSMN4R8-100BSE de NXP.

Límite de la SOA

Cuando la tensión de entrada es alta, la tensión de salida de este circuito se limita a un nivel seguro mediante el control del MOSFET M2. Esto da lugar a una importante disipación de energía, ya que la tensión cae a través de M2 mientras se suministra corriente a la carga en la salida.

Si la entrada está sometida a una condición de sobretensión sostenida, o si se produce una condición de fallo de sobrecorriente en la electrónica de a bordo a la salida del circuito, M2 se protege apagándose después de un tiempo configurado por la red de temporización formada por R13, R14, R15, C4, C5, C6 y C14. La corriente de salida en la patilla TMR del LTC4380 es proporcional a la tensión en el MOSFET M2 cuando M2 está en límite de corriente.

De hecho, la corriente TMR es proporcional a la potencia disipada en el MOSFET M2. La red de resistencias/capacitores en la patilla TMR es similar a un modelo eléctrico de la impedancia térmica transitoria del MOSFET. Se utiliza para limitar el aumento máximo de temperatura del MOSFET para mantenerlo dentro de su rango nominal de funcionamiento seguro

Dado que la corriente SOA permitida del MOSFET disminuye con tensiones de drenaje-fuente elevadas, el diodo de avalancha D6 de 20V, junto con R9, R11 y Q3, proporciona corriente adicional a la red del temporizador cuando la tensión de entrada-salida supera los 20V más la tensión base-emisor de Q3. El diodo de avalancha D7 de 4,7 V funciona con Q4, R12 y C3 para evitar que esta corriente adicional lleve al pin TMR por encima de su tensión nominal máxima de 5 V.

Este circuito de seguimiento del SOA permite que la salida permanezca alimentada de forma segura cuando la entrada alcanza una tensión elevada. Pero si una condición de fallo de alta potencia sostenida dura demasiado tiempo, el circuito se autoprotege apagando M2

Protección térmica

La red de resistencias/capacitores en el pin TMR del LTC4380 protege contra eventos más rápidos que un segundo aproximadamente. Para eventos más lentos, la temperatura del paquete M2 está limitada por el circuito conectado al pin ON del LTC4380

El termistor, R_PTCes un pequeño dispositivo de montaje superficial de tamaño 0402 con una resistencia de 4,7k a 115°C. Por encima de 115°C, su resistencia aumenta exponencialmente con la temperatura. Para evitar que la red de temporización integre falsamente las desviaciones del multiplicador de potencia, el LTC4380 no genera una corriente de temporización en la patilla TMR hasta que la tensión de drenaje-fuente de M2 alcanza los 0,7V. Con 4A y 0,7V, el MOSFET podría disipar 0,7V - 4A = 2,8W de forma continua sin que la red TMR detectara el aumento de temperatura del MOSFET. La resistencia PTC, R_PTCen combinación con las resistencias R17-R21 y los transistores Q5A, Q5B, Q6A, Q7A y Q7B, rompe el circuito si la temperatura del encapsulado del MOSFET M2 supera los 115°C.

No te asustes por el número de componentes del circuito de protección térmica. La solución global es relativamente fácil de implementar y consta de pequeños componentes que consumen poca superficie de la placa. Se trata de un circuito auto-biasedo que está equilibrado cuando R_PTC es igual al valor de 4,75kΩ de R20. Cuando la temperatura de R_PTCque está situado cerca de M2, supera los 115°C, su resistencia aumenta y hace que fluya más corriente por Q5B que por Q5A. Como esto hace que fluya más corriente a través de R17 que de R18, la tensión de base de Q8A aumenta y el colector de Q8A tira del pin ON del LTC4380 a nivel bajo, apagando M2. A temperaturas más bajas, la corriente de Q5A es mayor que la de Q5B, y Q8A permanece apagado, permitiendo que el pull-up interno del pin de ON mantenga el pin de ON alto. Ten en cuenta que la corriente de la patilla ON se utiliza como corriente de arranque para este circuito auto polarizado a través del dispositivo Q8B conectado al diodo.

Las especificaciones ISO 16750-2 e ISO 7637-2 describen los duros transitorios eléctricos que pueden producirse en los sistemas de automoción. El supresor de sobretensiones de baja corriente de reposo LTC4380 puede utilizarse para proteger la electrónica de a bordo de estos transitorios, incluidos los impulsos de descarga de carga de pellizco y no pellizco. El circuito presentado en este artículo proporciona un funcionamiento ininterrumpido frente a los impulsos de descarga de un alternador moderno de pinza. Cuando se enfrenta a pulsos de desconexión de carga más extremos, se apaga para proteger los componentes electrónicos posteriores. El resultado es una solución robusta para el cumplimiento de las normas ISO 16750-2 e ISO 7637-2 para la electrónica que consume hasta 4 amperios de corriente de alimentación.