Schaltungsschutz im Automobil Überspannungs- und Verpolschutz ohne Sperrdiode

Der LTC4365 schützt empfindliche Schaltungen vor Über- und Unterspannungen sowie Verpolen. Jede Spannung außerhalb eines vom Anwender spezifizierten Fensters wird zwischen 60 und –40 V gesperrt.

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EBV Elektronik GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Was würde passieren, wenn man 24 V an eine 12-V-Schaltung anlegt? Wenn man die Versorgungs- und Masseleitungen versehentlich vertauscht, würde die Schaltung dies überleben? Oder was passiert, wenn eine Applikation in rauer Umgebung betrieben wird, in der die Stromversorgung zwischen sehr hohen und sehr tiefen Spannungen schwingt? Selbst wenn diese Ereignisse unwahrscheinlich sind, genügt nur eines davon, um eine Baugruppe zu zerstören.

Wie kann man empfindliche Schaltungen vor zu hohen, zu niedrigen oder negativen Spannungen schützen? Um negative Versorgungsspannungen abzublocken, platzieren Systementwickler üblicherweise eine Leistungsdiode in Reihe mit der Versorgung. Diese Diode belegt jedoch wertvollen Platz auf der Baugruppe und verbraucht bei hohen Lastströmen eine hohe Leistung.

Weiterhin üblich ist, einen Hochspannungs-P-Kanal-MOSFET in Reihe mit der Versorgung zu platzieren. Der P-Kanal-MOSFET verbraucht weniger Leistung als die Diode, aber der MOSFET und die erforderliche Treiber-Schaltung treiben die Kosten in die Höhe.

Ein weiteres Manko dieser beiden Lösungen ist, dass sie den Betrieb bei geringer Versorgungsspannung aufgeben, insbesondere die Reihen-Diode. Auch schützt keine davon vor Spannungen, die zu hoch sind – deshalb benötigt der Überspannungsschutz weitere Komponenten wie einen Hochspannungs-Fensterkomparator und eine Ladungspumpe.

Schutz vor Über- und Unterspannung sowie Verpolung

Der LTC4365 ist eine Lösung, die empfindliche Schaltungen zuverlässig vor unvorhersehbaren zu hohen oder negativen Versorgungsspannungen schützt. Der Chip sperrt positive Spannungen bis zu 60 V und negative Spannungen bis zu –40 V. Nur Spannungen, die im sicheren Betriebsbereich liegen, werden an den Verbraucher durchgelassen. Die einzige erforderliche aktive externe Komponente ist ein Zweifach-N-Kanal-MOSFET, der zwischen die „unberechenbare“ Versorgung und den empfindlichen Verbraucher geschaltet wird.

Bild 1 zeigt eine vollständige Applikation. Ein Widerstandsteiler setzt die Überspannungs- (OV) und Unterspannungs-Schaltpunkte (UV) für die Verbindung/Trennung der Last von UIN. Liegt die Eingangsspannung außerhalb dieses Spannungsfensters, trennt der Chip die Last schnell von der Versorgung.

Der N-Kanal-MOSFET sperrt sowohl positive als auch negative Spannungen bei UIN. Der Schutzbaustein liefert während des normalen Betriebs 8,4 V mehr Spannung an das Gate des externen MOSFET. Der maximale Betriebsbereich liegt zwischen 2,5 V und 34 V, das gewünschte Spannungsfenster kann beliebig innerhalb diesen Bereichs gewählt werden. Bei den meisten Applikationen ist keine schützende Klemmschaltung bei U_IN nötig, was das Baugruppen-Design weiter vereinfacht.

Akkurater und schneller Über- und Unterspannungsschutz

Zwei akkurate (±1,5%) Komparatoren im LTC4365 überwachen die Überspannungs- und Unterspannungsbedingungen bei U_IN. Wenn die Eingangsspannung über den OV-Schwellwert steigt, bzw. unter den UV-Schwellwert abfällt, schaltet das Gate des externen MOSFETs schnell ab.

Der externe Widerstandsteiler erlaubt es den Anwendern, einen Eingangsspannungsbereich zu wählen, der geeignet für die Last bei U_OUT ist. Darüber hinaus haben die OV- und UV-Eingänge sehr kleine Leckströme (typisch <1 nA bei 100°C), was große Widerstandswerte im externen Widerstandsteiler ermöglicht.

Bild 2 zeigt, wie die Schaltung in Bild 1 reagiert, wenn U_IN langsam von –30 auf 30 V hochfährt. Die UV- und OV-Schwellwerte sind auf 3,5 bzw. 18 V eingestellt. U_OUT folgt U_IN wenn die Versorgung innerhalb des Fensters von 3,5 bis 18 V liegt. Außerhalb dieses Fensters schaltet der Chip den N-Kanal-MOSFET ab und trennt damit U_OUT sicher von U_IN selbst dann, wenn U_IN negativ ist.

Neuartiger Verpolschutz

Der Baustein enthält eine neuartige Schutzschaltung gegen eine Minus-Verpolung der Versorgung. Erkennt der Chip eine negative Spannung an U_IN, verbindet er schnell den Gate-Pin mit U_IN. Es gibt keinen Spannungsabfall über die Diode zwischen den Gate- und U_IN-Spannungen. Wenn das Gate des externen N-Kanal-MOSFET das negativste Potenzial (U_IN) erreicht hat, entsteht ein minimaler Leckstrom von U_OUT zur negativen Spannung von U_IN.

Bild 3 zeigt was passiert, wenn U_IN im laufenden Betrieb auf – 20 V (hot plug) gelegt wird. U_IN, U_OUT und Gate beginnen von der Masse aus anzusteigen, gerade bevor diese Verbindung hergestellt ist. Aufgrund der parasitären Induktivitäten der U_IN- und Gate-Verbindungen schwingt die Spannung an den U_IN- und Gate-Pins signifikant unterhalb von –20 V. Der externe MOSFET muss deshalb eine Durchbruchspannung haben, die diesen Überschwinger verkraftet.

Die Geschwindigkeit der Verpolungsschutzschaltung ist evident dafür, wie eng der Gate-Pin U_IN während der negativen Spitzen folgt. Die beiden Signalformen sind auf der dargestellten Skala fast nicht zu unterscheiden. Es werden keine zusätzlichen externen Schaltungen benötigt, um einen Verpolschutz zu liefern.

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