Schmelzsicherungen haben zwei wesentliche Merkmale. Sie benötigen keine Hilfsenergie, haben also keinen Eigenstromverbrauch, der die Batterie im abgestellten Fahrzeug langsam entleert. Und bei richtiger Auswahl, schützen sie mit ihrer I²t-Charakteristik als schwächstes Glied in der Verkabelungskette die elektrischen Leitungen im Kabelbaum. Mit dem Vormarsch automatisierter Fahrfunktionen steigen jedoch die Anforderungen an das 12-V-Bordnetz – klassische Schmelzsicherungen reichen nicht mehr aus.
Im hochautomatisiert fahrenden Fahrzeug (ADAS Level L2 und höher) darf ein Kurzschluss in einem Teil des Bordnetzes keine Auswirkungen auf wichtige Verbraucher in anderen Bereichen oder auf das redundante Bordnetz haben. Solche Fehler müssen schnell nach ihrem Auftreten erkannt und isoliert werden, um andere Verbraucher und die Spannungsquelle zu schützen.
Eine elektronische Sicherung muss daher zusätzliche Leistungsmerkmale bieten, wie:
- einstellbare Auslösecharakteristik, angepasst an die Last und den Leitungsquerschnitt,
- geringe Streuung der Auslösecharakteristik,
- schnelles Ansprechen in µs,
- Rücksetzbarkeit über elektrische Signale oder Buskommunikation,
- Diagnosefeedback,
- Eignung auch beim Einschaltvorgang mit kapazitiven Lasten und
- Unterstützung von Entwicklungen nach ISO 26262, Stichwort Funktionale Sicherheit.
Elektronische Sicherungen mit neuen Funktionen
Die neue PROFET (Protected Field Effect Transistor) Wire Guard-Familie von Infineon bietet einige neue Features: Die integrierte und einstellbare I²t-Funktion schützt die Verkabelung vor Überhitzung. Sechs verschiedene I²t-Kennlinien können je nach Querschnitt des angeschlossenen Kabels über einen externen Widerstand ausgewählt werden. Das zugehörige Temperaturmodell im Wire Guard läuft onboard und benötigt keine Unterstützung durch einen externen Mikrocontroller. Dadurch ist der Schutz auch dann gewährleistet, wenn der µC im Standby ist oder einen Reset-Zyklus durchläuft.
Die Auslöseschwelle für die schnelle Überstromabschaltung ist ebenfalls über einen externen Widerstand einstellbar. Sie schützt die Spannungsquelle (z. B. Batterie oder Zonen-Controller) und andere Verbraucher vor Rückwirkungen durch Kurzschlüsse. Schädliche Rückwirkungen können längere Phasen von Unterspannung sein, die andere Steuergeräte in einen Unterspannungs-Reset versetzen, sodass sie für die Fahrfunktion nicht mehr zur Verfügung stehen. Durch die schnelle Fehlererkennung und -isolierung bei Überstrom unterstützt der PROFET Wire Guard Anwendungen mit Fail-Operational-Architektur.
Das Diagnose-Feedback des Bausteins ermöglicht es, verschiedene Status- und Istwerte nacheinander über nur einen Pin auszulesen. Zu den Status- und Istwerten gehören unter anderem der Strom-Istwert, die gewählte I²t-Kennlinie, der I²t-Status und der Schwellwert für die Überstromabschaltung.
Bei kleinen Lastströmen wechselt der PROFET Wire Guard automatisch vom I²t-Mode in den IDLE-Mode. Im IDLE-Mode verbraucht der Wire Guard bei voll durchgesteuertem Schalttransistor und aktiven Schutzfunktionen nur ungefähr 50 µA Strom. Durch den energiesparenden IDLE-Mode eignet sich der Wire Guard deshalb besonders als elektronische Sicherung für Netzabschnitte und Lasten, die während des Parkens aktiv sind.
Durch seinen Capacitive Load Switching-Mode (CLS) eignet sich der Wire Guard auch zum schnellen Laden und Einschalten großer kapazitiver Lasten. Eine solche kapazitive Last können beispielsweise die Zwischenkreiskondensatoren eines Motorumrichters sein. Zur Aktivierung des CLS-Mode wird der Eingang des Wire Guards mit einem definierten PWM-Signal angesteuert. Dieses PWM-Signal versetzt den Baustein in den CLS-Mode mit der Abschaltstrategie „Continuous Auto Restart“. Dabei wiederholen sich die Schaltspiele „Einschalten und mit definiertem Maximalstrom speisen“ und „Abschalten wegen Schutz vor zu hohem Temperaturanstieg“ solange, bis der Spannungsabfall am eingeschalteten Ausgangstransistor einen bestimmten Wert unterschreitet. Dann gilt die kapazitive Last als hinreichend geladen. Danach wird dauerhaft durchgeschaltet und das PWM-Signal kann durch einen High-Pegel am Steuereingang ersetzt werden. Vorteil: Der Baustein bleibt währenddessen in der spezifizierten Safe Operating Area (SOA).
Erweiterte Produktfamilie
Infineon hat die PROFET-Produktfamilie um einige Derivate erweitert. Den Bereich kleinerer Ströme bis circa 5 A decken die Load Guard ohne I²t-Nachbildung ab. Darüber hinaus, wenn die Ströme kritisch für die Verkabelung werden können, schließen sich die Wire Guard-Produkte an. Letztere eignen sich für den Einsatz in der 12-V-Leistungsverteilung und in Zonen-Controllern, die in einem ASIL-klassifizierten System arbeiten und den Betrieb im Fehlerfall (Fail Operational) sicherstellen.
Für Testzwecke stehen bestückte Evaluierungsleiterplatten mit den Wire Guard bzw. Load Guard zur Verfügung. Diese Tochterplatinen (Daughterboards) passen auf das PROFET One4All MB (Motherboard). Über einen Schnittstellenwandler (µIO-Stick) kann der Wire Guard dann mit einer PC-GUI (Infineon Smart Power Configuration Switches Wizard) konfiguriert und getestet werden.
Fazit
Der PROFET Wire Guard von Infineon ist auf dem Weg zur idealen elektronischen Sicherung ein gutes Stück vorangekommen. Mit seinen Produkteigenschaften für Diagnose und Schutz, dem niedrigen Stromverbrauch und der verfügbaren Safety-Dokumentation eignet er sich hervorragend für den Einsatz in der 12-Volt-Leistungsverteilung unter dem Aspekt der funktionalen Sicherheit. Der Wire Guard schützt zuverlässig den gesamten Stromkreis bestehend aus Quelle, sich selbst, Verkabelung und Last.
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