Entwickler im Bereich der Automobilelektronik sind während der Systementwicklung mit zahlreichen technischen Herausforderungen konfrontiert. Die wichtigste davon dürfte der Schutz von Signalbussen und Schaltungen vor einer Vielzahl von elektrischen Gefahren sein. Beispiele für diese elektrischen Gefahren sind elektrostatische Entladung (ESD), Schaltspitzen, Stromspitzen des Anlassers, Load Dump, Impulse der Zündspule und das Wechselfeld der Lichtmaschine.
Alle diese Impulse sind in der Norm ISO7637-2 enthalten. Es handelt sich dabei um Transienten mit definierter Charakteristik. Das Abfangen dieser transienten Überspannungen ist eine der schwierigsten Herausforderungen im Entwicklungsprozess. Solche Überspannungen besitzen das Potenzial, Fahrzeugsteuergeräte, Infotainment-Elektronik, Sensoren, Einspritzdüsen, Ventile und Motoren in ihrer Funktion zu stören oder zu beschädigen.
Die Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten in Kraftfahrzeugen basiert schon seit Langem auf einer Anzahl verschiedener Bussysteme, die den Informationsaustausch zwischen den Komponenten übernehmen. Littelfuse ist ein zuverlässiger Anbieter von Überspannungsschutz-Dioden und -Arrays, die solche Systeme über Jahre hinweg schützen. Zu diesen Bussen gehören das Local Interconnect Network (LIN), ein serielles Netzwerkprotokoll für die Kommunikation zwischen Komponenten in Fahrzeugen, und das Control Area Network (CAN), ein Busstandard in der Automobiltechnik, der es Mikrocontrollern und anderen intelligenten Modulen ermöglicht, in einem Fahrzeug ohne zentralen Hostcomputer miteinander zu kommunizieren. Beiden gemeinsam ist die relativ geringe Geschwindigkeit von 40 Kbit/s bzw. 1 Mbit/s. Multimedia-Funktionen und Fahrerassistenz-Kameras erforderten einen Bus mit höherer Geschwindigkeit. An dieser Stelle kam unter anderem das Ethernet-Protokoll ins Spiel. Einige der neuesten Autos sind bereits mit 100 Mbit/s-Ethernet-Bus auf Grundlage der Plattform BroadR-Reach® ausgestattet. Auch die Universal Serial Bus (USB)-Datenschnittstelle kann verwendet werden, um die Passagiere mit „Information“ und „Entertainment“ (Infotainment) zu versorgen.
Einige Vorteile des Ethernet sind die reduzierten Verkabelungskosten und – wie oben erwähnt – die bessere Eignung für hohe Bandbreitenanforderungen. Die Normen IEEE 802.1 und 802.3 definieren das Ethernet-Protokoll und ermöglichten die Entwicklung weiterer Standards und Spezifikationen (sowohl auf physischer Schicht als auch beim Media Access), die es erlaubten, Ethernet-Protokolle zu entwickeln, die mit den umfangreichen Anforderungen der modernen Netzwerke Schritt halten können. Ethernet-Technologie ist außerhalb des Automotive-Umfelds gut etabliert, sodass es nahliegend ist, diese Technologie auch in der Automobilelektronik einzusetzen.
Die neuen USB-Datenschnittstellen und das Ethernet-Protokoll breiten sich in Systemen der Automobilelektronik rasant aus, weil die Nachfrage nach sicheren Fahrzeugnetzen steigt und damit der Bedarf für den Transport großer Datenmengen wächst. Ebenso wie die älteren Busse und Schnittstellen vor Überspannungsspitzen geschützt werden mussten, müssen auch diese Busse vor der elektrischen Umgebung des Fahrzeugs geschützt werden. Zu den Merkmalen, die diese Lösungen aufweisen müssen, gehören sehr schnelle Reaktionszeiten, ein niedriger RDYN (und damit niedrige Klemmspannungen), geringere Kapazität und minimaler Leckstrom. Transient Voltage Suppression (TVS)-Dioden und -Arrays von Littelfuse sind die ideale Lösung zum Schutz dieser neuen Datenschnittstellen und Ethernet-Busse vor den oben genannten Bedrohungen durch Überspannung. TVS-Dioden und -Arrays können Überspannungsereignisse schneller als die meisten anderen Arten von Schaltungsschutzvorrichtungen abfangen und werden in einer Vielzahl von SMD-Formaten angeboten. Typische TVS-Überspannungsbegrenzer werden so nah wie möglich an den Anschlussverbindern platziert. Bei einem Transientenereignis tritt am TVS-Diodenübergang der Lawineneffekt auf, sodass ein Strompfad mit niedriger Impedanz entsteht, über den der transiente Strom nach Masse abfließt. Die Spannung wird dabei auf einen Pegel begrenzt, der den Bauelementen der Schaltung und den Prozessoren nicht schadet. Deshalb wird eine TVS-Diode oft auch als „Clamping“-Diode bezeichnet. Gleichzeitig muss die Signalintegrität des Kommunikationspakets erhalten bleiben. Das ist der Grund dafür, dass diese TVS-Elemente eine sehr niedrige Kapazität besitzen müssen.
Littelfuse bietet die breiteste Palette von TVS-Dioden und -Arrays auf dem Markt, die AEC-Q101-qualifiziert sind. Entwickler im Bereich der Automobilelektronik können damit ihre Schaltungen vor Transienten schützen. Wie bei früheren Littelfuse-TVS-Schutzdioden und -Array-Komponenten entsprechen alle Angebote für die neueren Bus-Schutzeinrichtungen der Industrienorm für diskrete Halbleiter (AEC-Q101) und stehen zur Verfügung, um Probleme mit Transienten zu lösen. Speziell die Produktlinien SP3012, SP3014 und SP3022 sind auf die neueren Ethernet-Busse und USB-Datenschnittstellen (Abbildung 1) in der Automobiltechnik zugeschnitten.
Abbildung 1: Standard-Schutzbeschaltung für eine USB 2.0-Schnittstelle
Die niedrige Ladekapazität von unter 1 pF machen die Dioden ideal geeignet für den Schutz von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen wie USB 2.0 und 1-Gb-Ethernet mit einem extrem niedrigen dynamischen Widerstand (die Serien SP3012 und SP3014 bieten den niedrigsten dynamischen Widerstand auf dem Markt und damit die niedrigste Klemmspannung für hervorragende Spannungsbegrenzung), um selbst die empfindlichsten State-of-the-Art-Chipsätze vor ESD-Transienten zu schützen. Geringe Leckströme sind ebenfalls ein Plus. Die Kontaktentladung liegt im Bereich von +/–12 kV bis +/–20 kV. Die Produkte sind in einer Vielzahl von Industriestandard-SMD-Ausführungen erhältlich (Abbildung 2), die effizientes Leiterplatten-Routing und eine dichte Bestückung ermöglichen.
Abbildung 2: SMD-Gehäuse von TVS-Komponenten
Bei der Auswahl von TVS-Dioden sind einige wichtige Parameter zu berücksichtigen, darunter die Sperrspannung VR, der Spitzenstrom (IPP) und die maximale Klemmspannung (VC max). Beispiele für die besonderen Merkmale der Littelfuse-TVS-Dioden sind niedriger inkrementeller Spitzenwiderstand, die Verfügbarkeit von unidirektionalen und bidirektionalen Polaritäten, Stand-off-Sperrspannungen im Bereich von 5 V bis 495 V und Spitzenleistungen von 400 W bis 30 kW. Weitere Informationen zur Auswahl von TVS-Dioden finden Sie im entsprechenden Auswahlleitfaden, im Applikationshinweis und im Auswahlleitfaden für Dioden-Arrays nach AEC-Q101. Außerdem finden Sie dort das gesamte Angebot von Littelfuse an Industriestandard-TVS-Dioden mit axialen Anschlüssen und für die Oberflächenmontage. (Abbildung 3)
Abbildung 3: TVS-Dioden für die Automobiltechnik in Industrie-Standardgehäusen
Littelfuse beliefert die Automobilindustrie seit Langem mit bewährten Lösungen für den Schutz von sensibler Automobilelektronik in vier Hauptkategorien von Fahrzeugsystemen: Sicherheit, Leistung und Emissionen, Komfort und Bequemlichkeit sowie Hybridfahrzeuge. Hinter den Produkten von Littelfuse stehen mehr als 80 Jahre Kompetenz und Anwendungserfahrung, die aus der Zusammenarbeit mit branchenführenden Kunden entstanden sind. Die Arbeit mit Entwicklern an Transient Voltage Suppression (TVS)-Dioden und -Arrays mit geringer Klemmspannung, mehreren Gehäusegrößen und unbegrenzter Lebensdauer festigte den Ruf von Littelfuse als renommierter Anbieter für viele Jahre in die Zukunft.