Aby byla zajištěna bezpečnost a spolehlivost, je potřeba široká škála ochranných obvodů, které jsou schopny pracovat v náročných prostředích a jsou certifikována dle AEC-Q200, SAE, USCAR a dalších standardů. Tento článek stručně shrnuje některé vlastnosti, které by měli splňovat ochranné obvody. Poté představuje řešení pro ochranu obvodů, konektivitu a konverzi napájení od společnosti Bel Fuse a použití těchto produktů  v systémech eMobility.

Komponenty a standardy pro ochranu obvodů ve světě eMobility

Existuje řada certifikovaných produktů pro ochranu obvodů pro automobily, vysokorychlostní komunikace a převod energie, které se mohou použít také v oblasti elektromobility:

• Pojistky pro automobilový průmysl v kazetách, namontovaných na desce plošných spojů (průchozí otvor i povrchová montáž) a optimalizované napájecí systémy a subsystémy, pojistky pro pomocné aplikace a příslušenství, jako jsou radarové systémy asistence řidiče, motory brzdových čerpadel, přenosné nabíječky, bateriové systémy, infotainment, kamery, programovatelné osvětlení a posilovač řízení. 
• Tlumivky pro potlačení elektromagnetického rušení (EMI) s kvalifikací AEC-Q200 pro odfiltrování šumu a ochranu vysokorychlostních datových signálů pro četné senzorové subsystémy, které tvoří ADAS a navigační systémy, multimediální systémy, vozidla ke všemu (V2X) a antény. Dále poskytují diferenciální potlačení šumu pro automobilový Ethernet, CAN sběrnici, FlexRay a automobilové USB
• Plně stíněné konektory RJ45, které splňují požadavky (SAE) USCAR2-6 „ Specifikace výkonu pro automobilový elektrický konektorový systém – revize 6 “ a umožňují konstruktérům nahradit sběrnici CAN rychlejším a lehčím automobilovým Ethernetem, aby podpořily rostoucí výpočetní výkon pro potřeby vozidel v řadě systémů ADAS, jako jsou asistenční kamery řidiče a asistenční systémy založené na radaru, stejně jako telematika, konvertory médií a brány.
• Napájecí měniče s certifikací IP67, včetně elektrických a hybridních nabíječek baterií pro vozidla, které jsou kvalifikované pro automobilový průmysl a jsou nabízeny v konvekčním nebo kapalinou chlazeném provedení s galvanickým oddělením.

Výběr produktu pro ochranu obvodu

Při výběru vhodného produktu je důležité jasné pochopení provozních podmínek:

• Jmenovité napětí: maximální povolené napětí pro bezpečný provoz
• Jmenovitý proud: proud v ampérech, který může pojistka přenášet za normálních provozních podmínek
• Vypínací schopnost (také nazývaná jako přerušovací vlastnost (interrupting rating) nebo zkratová vlastnost (short circuit rating)): maximální proud, který může pojistka přerušit při svém jmenovitém napětí, aniž by byla poškozena. Vypínací schopnost musí splňovat nebo překračovat předpokládaný maximální poruchový proud obvodu
• Časové křivky proudu: definují, zda je pojistka rychle nebo pomalu odpojena (také se nazývají zpožděná reakce- delayed acting); Rychlé pojistky se používají tam, kde je kritická rychlost ochrany. Pomalé pojistky se používají v aplikacích, kde dochází ke krátkodobému proudovému rázu nebo přetížení

I²t: Specifikace bez testovacího standardu

Specifikace, která si zaslouží zvláštní pozornost, je jmenovitá hodnota tavení I²t (čte se „I na druhou T“). Toto je míra energie potřebná k roztavení pojistkového prvku. I²t je vyjádřena jako „Ampér sekunda na druhou“ (A²sek). Normy UL/CSA 248 nebo IEC127 pro miniaturní pojistky neobsahují zkušební postup ani zkušební kritéria pro I²t.

Průmyslová standardní definice I²t je: TAVENÍ I²t měřeno při 10 x I_n s použitím konstantního stejnosměrného proudu, kde l_n je jmenovitý proud pojistky.

Použití 10 x I_n může být problematické a ne vždy vede k přesné době rozpojení. Pomalá pojistka může vyžadovat vyšší násobek než 10 krát jmenovitá hodnota proudu, aby se dospělo k pravé hodnotě I²t. Vzhledem k tomu, že různí výrobci řeší toto dilema různě, je důležité, aby konstruktéři jasně rozuměli metodě použité k dosažení hodnot I²t pro konkrétní typ pojistky. Podrobnější informace je k dispozici zde: https://www.digikey.cz/en/pdf/b/bel-fuse/belfuse-i2t-explanation.

Rychlé vs pomalé pojistky

Automobilové navigační systémy, systémy pro správu baterií (BMS), LED světlomety, automobilový PoE, LCD displeje se mohou spolehnout na řadu rychlých pojistek 0685P. Řada 0685P se vyznačuje vysokou odolností proti náběhovému proudu (Inrush current). Tyto pojistky jsou velikosti 1206 a vyhovují standardu AEC-Q200 a UL. Jsou k dispozici s jmenovitými proudy od 2 A do 50 A a jmenovitými napětími 50 V AC a 63 V DC. Například pojistka 0685P3000-01 je dimenzována na 6 A s jmenovitou hodnotou I²t 1,3 A²s při 10 x I_n.

Pomalé pojistky velikosti 1206 jsou v řadě C1T (obrázek 1). Jsou k dispozici s proudovými hodnotami od 750 mA do 8 A a jsou dimenzovány pro 63 V AC nebo DC. Pojistka 0685T6000-01 je dimenzována pro 6,0 A s I²t hodnotou 6,0 A²s při 10 x I_n. Pomalé pojistky řady C1T jsou schváleny dle UL, CSA a CE a mají certifikaci TUV podle IEC 60127 pro miniaturní pojistky.

Obrázek 1: Pomalé pojistky řady C1T se používají v různých automobilových aplikacích. (Zdroj obrázku: Bel Fuse)

Resetovatelná ochrana obvodů - PPTC

Resetovatelná ochrana obvodu s velmi nízkým provozním odporem a velmi vysokým udržovacím proudem se nazývá PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient). PPTC mohou být zvláště užitečné v aplikacích, jako je ochrana motoru a motorového obvodu v elektricky ovládaných dveřních zámcích, zrcátkách, sedadlech, střešních či bočních oknech, stejně jako v systému topení, ventilace, klimatizace a elektronické řídicí jednotce (ECU). Bel nabízí dvě rodiny produktů PPTC. Obě jsou v souladu s AEC-Q a TUV, jsou certifikovány dle EN/IEC 60738-1-1 a EN/IEC 60730-1 a UL dle UL1434:

• 0ZRS radiální olovnaté PPTC mají jmenovitý proud od 500 mA do 10 A s maximálním napětím 32 V_DC a jsou vhodné pro typické výkony od 0,9 do 7,0 W (obrázek 2). Například 0ZRS0100FF1E má vypínací proud 1,9 A, přídržný proud 1,0 A a je dimenzována na 1,4 W.
• 0ZCG je určena pro povrchovou montáž a je dimenzována pro proudy od 100 mA do 3 A s maximálním napětím od 6 do 60 voltů DC a typickým jmenovitým výkonem od 0,8 do 1,3 W. 0ZCG0110BF2B z této rodiny je vhodná pro napětí 24 V DC a má přídržný proud 1,1 A, vypínací proud 2,2 A a jmenovitý výkon 1 W.

Obrázek 2: PPTC OZRS jsou dimenzovány až na 32 V DC a 10 A. (Zdroj obrázku: Bel Fuse)

Pomalé pojistky jako ochrana odolná proti náběhovému proudu (Insrush Current)

Série 0680L disponuje produkty s velikostí 2410 a jsou určeny pro povrchovou montáž. Keramické pojistky mají vysokou odolnost vůči náběhovému proudu (inrush current) (tabulka 1). Tyto pomalé pojistky jsou navrženy pro aplikace, které vyžadují vysoké jmenovité hodnoty napětí. Jsou dimenzovány až do 125 V DC nebo AC a nabízejí jmenovité proudy od 375 mA do 12 A. Pojistky 0680L jsou v souladu s AEC-Q.

Tabulka 1: Elektrické charakteristiky pomalých pojistek pro povrchovou montáž řady 0680L. (Zdroj obrázku: Bel Fuse)

Tyto pomalé pojistky se často používají pro ochranu PoE, PoE+, napájení a nabíjení baterie. 0680L3000-05 je dimenzována pro 3 A a 0,81 W s I²t hodnotou 13 A²s při 10 x I_n .

Rychlé pojistky vhodné pro eMobilitu

Tyto pojistky jsou k dispozici v tzv. kazetových či šroubovacích sadách a používají se pro ochranu vysoce výkonných systémů pro baterie a měniče energie. Tyto pojistky jsou plně v souladu se směrnicí EU 2011/65/EU a pozměňující směrnicí 2015/863.Jsou navrženy tak, aby splňovaly UL 248-1 a také požadavky na spolehlivost JASO D622 a ISO8820-8. Jsou vhodné pro:

• Jištění hlavního systému
• Nabíjecí stanice
• Úložiště energie a baterie
• Jednotky rozvodu energie
• Palubní měniče DC-DC
• Motory brzdových čerpadel
• Motory kompresorů klimatizace
• Elektrické systémy řízení

Zvládnou proudy až 600 A a mají jmenovité napětí od 500 do 1 000 voltů DC. 0ADAC0600-BE je dobrým příkladem kazetového typu pojistky se jmenovitým proudem 600 mA a 600 V DC i AC a s hodnotou I²t 0,073 A²s při 10 x I_n.

Časově zpožděné pojistky vhodné pro eMibilitu

Miniaturní pojistky s časovým zpožděním jsou v řadě 0697W a jejich jmenovité hodnoty napětí jsou 350 V AC nebo 72 V DC, jmenovitý proud 1 A až 6 A a vyhovují normě IEC 60127-3 (obrázek 3). Tyto pojistky jsou v souladu s normami kvality AEC-Q a Mil-Std 202G.

Obrázek 3: Řada 0697W je v souladu s AEC-Q, radiální vývodové, vysokonapěťové pojistky s časovým zpožděním. (Zdroj obrázku: Bel Fuse)

Pojistky řady 0697W jsou vhodné pro motory, ovládání klimatizace a ventilace, zástrčky a příslušenství zapalovačů cigaret, elektrické zásuvky a kabelové svazky. Například 0697W2000-02 je dimenzována na 2 A a 0,63 W s hodnotou I²t 30 A²s při 10 x I_n.

Tlumivky pro vysokorychlostní komunikaci

Automobilové informační systémy a systémy ADAS využívají komunikační sběrnici Ethernet, CAN, FlexRay nebo USB. Pro potlačení šumu v diferenciálním režimu je vhodné použít řadu tlumivek SPDL Signal Transformer, které jsou certifikovány dle AEC-Q200 (obr. 4). Tyto kompaktní SMD tlumivky jsou k dispozici ve čtyřech metrických velikostech, 2012, 3216, 3225 a 4532 a 26 různých jmenovitých hodnotách. Řada SPDL má rozsah jmenovitého proudu od 150 do 400 mA a rozsah impedance od 90 do 2200 Ω. Například tlumivka SPDL3225-101-2P-T je dimenzován na 150 mA s impedancí 2200 Ω a s indukčností 100 µH.

Obrázek 4: Řada SMD tlumivek SPDL je vhodná pro komunikační rozhraní Ethernet, CAN bus, FlexRay nebo USB. (Zdroj obrázku: Signal Transformer)

Přechod na Ethernet

Kvůli rychlejší přenosové rychlosti a nižší hmotnosti kabelu se nahrazuje sběrnice CAN sběrnicí Ethernet. Jednoportové integrované konektorové moduly (ICM) pro automobilový ethernet Bel Fuse MagJack mají ethernetové magnetické obvody integrované přímo do pouzdra konektoru. Výsledkem je kompaktní řešení, které modernizuje stávající systémy založené na sběrnici CAN přechodem na Ethernet (obrázek 5). MagJack Ethernet ICM je schopen pracovat až do teploty 100 °C a jsou kompatibilní s SAE/USCAR2-6. Tyto ICM konektory jsou schváleny společnostmi Broadcom, Intel a Marvell a jsou kompatibilní se standardními automobilovými transceivery, a to dále zjednodušuje přechod na Ethernet.

Obrázek 5: Automobilové ethernetové jednoportové ICM konektory MagJack jsou vybaveny integrovanými magnetickými obvody. (Zdroj obrázku: Bel Fuse)

Příkladem je automobilový Ethernet ICM konektor A829-1J1T-KM, který splňuje všechny elektrické požadavky IEEE 802.3 10/100Base-T.

Závěr

Požadavky na bezpečnost a spolehlivost propojených, elektrických a stále více automatizovaných vozidel je zapotřebí široká škála řešení pro ochranu obvodů, komunikaci a přeměnu energie. Existuje mnoho produktů, které jsou certifikovány dle AEC-Q200 pro automobilový průmysl. K dispozici jsou plně stíněné ethernetové konektory RJ45, které vyhovují SAE/USCAR2-6, tlumivky, elektronické pojistky či napájecí měniče s krytím IP67. Všechny tyto produkty pomohou vytvořit ochranu pro elektronické obvody v elektrických (EV) a hybridních (HEV) vozidlech.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.