Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start

ghost666 21 Jan 2021 20:39 1437 0
  • Już wiele lat temu elektroniczne sterowanie silnikami elektrycznymi przekształciło samochody z systemów czysto mechanicznych w wyrafinowaną kombinację czujników, mikrokontrolerów i innej elektroniki. Projektanci branży motoryzacyjnej szybko przyjęli nową technologię i poszerzyli swoją wiedzę z zakresu elektroniki. Wraz z pojawieniem się pojazdów elektrycznych i hybrydowych historia się powtarza. Zostawiając za sobą niskonapięciowe systemy 12V, nowoczesne systemy motoryzacyjne wykorzystują systemy o napięciu pracy do 800 V, z jeszcze wyższymi napięciami na horyzoncie.

    Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start
    Rys.1. Izolacja tworzy barierę o wysokiej impedancji pomiędzy dwoma systemami, skutecznie eliminując połączenie elektryczne między nimi.


    Podobnie jak kilkadziesiąt lat temu, ucząc się elektroniki, projektanci samochodów muszą teraz nauczyć się i przyjąć nową technologię: izolację galwaniczną. Pozwala to na oddzielenie domen wysokiego napięcia od domen niskiego napięcia w pojeździe i ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa nowoczesnych systemów wysokiego napięcia w samochodach. Technologia stojąca za samą izolacją galwaniczną również szybko się rozwinęła. Czasy prostych transoptorów kończą się, ponieważ postęp w procesach CMOS otworzył drzwi do najnowocześniejszej cyfrowej izolacji. Nowa klasa izolatorów oferuje wiele korzyści i wiele nowych wyzwań. Na szczęście najczęstsze wyzwania związane z izolacją, przed którymi staje projektant systemów motoryzacyjnych, można pokonać dzięki podstawowej wiedzy i kilku prostym technikom projektowania.

    Problemy z systemami przemysłowymi

    Przed zagłębieniem się w tematykę izolacji galwanicznej, wymagane jest zebranie trochę wiedzy na temat samych urządzeń półprzewodnikowych we współczesnej motoryzacji. Podczas projektowania dowolnego systemu samochodowego należy stosować elementy odpowiedniej klasy. Wiele urządzeń klasy przemysłowej posiada kwalifikację AEC-Q100, jednak kwalifikacja AEC-Q100 zwykle nie wystarcza, aby spełnić surowe wymagania współczesnych pojazdów. Dotyczy to zwłaszcza urządzeń izolacyjnych, ponieważ są one krytycznym elementem zarówno z punktu widzenia bezpieczeństwa, jak i działania systemu. Często izolatory przekazują sygnały sterujące, mierzą kluczowe napięcia i prądy oraz bezpiecznie komunikują się z główną jednostką sterującą pojazdu. Jeśli izolator ulegnie awarii, cały system ulegnie awarii.

    Produkty motoryzacyjne wykorzystują specjalne monitorowanie już na etapie produkcji układów scalonych, kontrolę i metodologię, aby doprowadzić do poziomu zera defektów (DPPM), a także spełnić kwalifikację AEC-Q100. Szczegółowe raporty z informacjami o produkcie, w tym proces zatwierdzania części do produkcji (PPAP) i dokumenty międzynarodowego systemu danych materiałowych (IMDS) oraz analiza scenariuszy awarii są również zawarte w większości materiałów dla elementów klasy motoryzacyjnej. Te dodatkowe kroki i dokumenty zapewniają, że izolator lub dowolne inne urządzenie półprzewodnikowe, są naprawdę gotowe do użycia w pojeździe.

    Podstawa zagadnień dotyczących izolacji galwanicznej

    W przeszłości systemy samochodowe 12 V nie wymagały izolacji, ale obecnie jest ona kluczem do systemów pojazdów elektrycznych korzystających z wysokiego napięcia. Dla wielu projektantów motoryzacyjnych izolacja nie jest pojęciem nieznanym, ale nie zawsze jest w pełni zrozumiana.

    Mówiąc najprościej, izolacja galwaniczna oddziela dwa obwody elektryczne za pomocą bariery o wysokiej impedancji, która zapobiega przepływowi prądu między nimi. Urządzenia izolacyjne umożliwiają komunikację poprzez barierę izolacji galwanicznej. Na przykład w falowniku trakcyjnym kontroler systemu może znajdować się w domenie niskiego napięcia, podczas gdy tranzystory polowe (FET) napędzające silnik znajdują się w domenie mocy wysokiego napięcia.

    Korzystając z izolowanego sterownika bramki, sterownik systemu może bezpiecznie sterować przełączaniem tranzystorów FET z domeny niskiego napięcia. Ponadto izolacja taka zapewnia krytyczne bezpieczeństwo systemu poprzez jednoczesną ochronę obwodów niskiego napięcia przed niebezpiecznymi wysokimi napięciami. Poza bezpieczeństwem bariera izolacyjna znacznie zmniejsza szum powodowany przez pętle masy między dwoma różnymi obwodami. Jest to szczególnie przydatne w systemach komunikacji pojazdów, w których integralność danych jest kluczowa. Przy zrozumieniu, w jaki sposób stosowana jest izolacja i dlaczego jest potrzebna, wymogi bezpieczeństwa są pierwszym wyzwaniem, przed którymi staje większość projektantów systemów samochodowych.

    Kilka zagadnień na temat bezpieczeństwa

    W przypadku każdego systemu wysokiego napięcia absolutnie konieczne jest, aby projektant skonsultował się ze swoim wewnętrznym zespołem ds. Bezpieczeństwa lub zewnętrzną agencją ds. Zgodności z odpowiednimi normami i przepisami, aby upewnić się, że projektowany system spełnia wymogi bezpieczeństwa określone w stosownej normie.

    Podstawową rolą izolacji galwanicznej w pojeździe jest zapewnienie bezpieczeństwa systemu. Dlatego projektanci samochodów muszą rozumieć kluczowe cechy izolatora zapewniające bezpieczeństwo i ich konsekwencje. Poza napięciem znamionowym izolatora, istnieją zazwyczaj trzy inne parametry, które należy zrozumieć, by mówić o izolatorach galwanicznych. Są to: droga upływu (creepage), prześwit (clearance) oraz oczywiście lista spełnianych norm.

    Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start
    Rys.2. Droga upływu i prześwit.


    Droga upływu i prześwit to parametry, które dotyczą zapobiegania przepływu niezamierzonych prądów wokół bariery zawartej w urządzeniu izolacyjnym. Normy bezpieczeństwa pomagają zweryfikować tylko zdolność bariery izolacyjnej w samym urządzeniu do zapobiegania przepływowi prądu przez układ. Rysunek 2 ilustruje różnicę między drogą upływu a prześwitem.

    Droga upływu to najkrótsza odległość dookoła obudowy, np. między dwoma pinami po obu stronach bariery izolacyjnej. Prześwit to z kolei odległość między dwoma pinami obudowy, reprezentująca najkrótszą odległość w powietrzu pomiędzy dwoma odizolowanymi elementami układu.

    Wszystkie normy dotyczące systemów końcowych (np.IEC 62368-1 dla technologii informatycznych) zawierają minimalne wymagania dotyczące drogi upływu i prześwitu dla danego poziomu napięcia i powinny być sprawdzone przed rozpoczęciem projektowania. Jeśli tych odległości nie można osiągnąć w powietrzu, wymagane jest pokrywanie płytki – np. lakierowanie, co powoduje szereg problemów, zwiększa koszty i utrudnia późniejszy serwis. Projektant powinien również zwrócić szczególną uwagę na obudowę izolatora, ponieważ niektóre starsze obudowy mają inne, poza pinami, wystające z obudowy przewodzące elementy, będące pozostałościami po procesie produkcji. Zmniejszają one, jak pokazano na rysunku 3 drogę upływu.
    Po doborze izolatora galwanicznego z wystarczającym prześwitem i drogą upływu można sprawdzić, czy wybrany element posiada wszystkie wymagane atesty bezpieczeństwa dla urządzenia izolującego.

    Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start
    Rys.3. Odkryte elementy przewodzące (w kółku) będące pozostałością po procesie produkcji. Redukują one drogę upływu.


    Dla wielu projektantów certyfikacja bezpieczeństwa może szybko przyprawić o ból głowy. Zrozumienie, co reprezentują dane znaki bezpieczeństwa i jak pasują do certyfikacji systemu, sprawia, że proces ten jest mniej problematyczny. Znak agencji bezpieczeństwa na produkcie, taki jak VDE, UL lub CSA, oznacza dwie kluczowe rzeczy. Po pierwsze, oznacza to, że produkt spełnił wymagania testów dla tego konkretnego znaku i ma certyfikat testu, a raport z tego testu dostępny jest u danej agencji bezpieczeństwa. Po drugie, a często się tego nie zauważa, agencja bezpieczeństwa regularnie przeprowadza audyty zakładu produkcyjnego, aby upewnić się, że wszystkie urządzenia są zbudowane tak samo jak testowany element. Bez tego układ może zdobyć jakaś klasyfikację, ale producent mógłby później zmienić sposób jego produkcji, co sprawić mogłoby, że element nie przechodziłby dalej testów bezpieczeństwa. Tylko spełnienie obydwu wymagań daje producentowi prawo do używania danej klasyfikacji wg norm.

    Dlaczego ma to znaczenie dla projektanta systemów motoryzacyjnych? Ma to znaczenie, ponieważ urządzenia izolujące są zwykle uważane przez agencje bezpieczeństwa za krytyczne dla bezpieczeństwa. Stosowanie izolatorów galwanicznych z odpowiednimi znakami bezpieczeństwa znacznie upraszcza certyfikację całego systemu. Większość producentów tych elementów udostępnia swoje certyfikaty bezpieczeństwa na swoich stronach internetowych lub za pośrednictwem zespołów sprzedaży. Jeśli nie, to spore ostrzeżenie – korzystanie z tych elementów może utrudnić certyfikację systemu. Mając certyfikaty bezpieczeństwa w ręku i odpowiednie oznaczenia na układzie, projektanci mogą skupić się na tym, na czym się znają i zająć sie detalami technicznymi systemu.

    Najczęstszy mechanizm awarii

    Jaka jest najczęstsza przyczyna awarii izolatora w pojeździe? Odpowiedzią nie jest zanikanie bariery izolacji w czasie. W rzeczywistości bariera izolacyjna w izolatorze cyfrowym rzadko zawodzi. Przeciążenie elektryczne (EOS) jest zdecydowanie najczęstszą przyczyną awarii tego elementu w zastosowaniach motoryzacyjnych. EOS może być spowodowane wieloma różnymi problemami w zależności od zastosowania i typu używanego izolatora. Dwa typowe problemy to przekroczenie dopuszczalnych wartości napięcia zasilania lub wejścia/wyjścia oraz wyładowania ESD.

    Jak każde urządzenie półprzewodnikowe, izolatory określają pewne wartości maksymalne dla napięcia zasilania i zakresów napięć wejściowych. Przekroczenie tych wartości może spowodować uszkodzenie urządzenia. Większość cyfrowych układów izolacyjnych wymaga zasilania po obu stronach bariery izolacyjnej, (VDDA i VDDB). W przypadku izolatorów cyfrowych, które przesyłają cyfrowe sygnały przez barierę izolacyjną, napięcia zasilania po każdej stronie izolatora mają zakres wejściowy typowy dla urządzeń CMOS. Podobnie, piny wejściowe i wyjściowe muszą pozostać w typowym zakresie – do napięcia zasilania – i rzadko mogą tolerować przekroczenie tego progu.

    Jednak izolowane sterowniki bramek tranzystorów często oferują znacznie szerszy zakres napięć zasilania po stronie izolatora sterującego elementem wykonawczym (zazwyczaj tranzystor FET lub moduł IGBT), ponieważ wiele urządzeń zasilających wymaga wyższego napięcia bramki niż to, co może zapewnić typowy układ CMOS. Tabela 1 zawiera porównanie napięć zasilania i wejścia/wyjścia dla izolatorów cyfrowych z rodziny Si86xx firmy Silicon Labs i izolowanych sterowników bramek Si823x tego samego producenta.

    Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start
    Tab.1. Parametry typowych izolatorów cyfrowych i izolatorów bramki


    W przypadku linii zasilania, pamiętać trzeba również o dodaniu odpowiednich kondensatorów filtrujących zasilanie i umieszczenie ich jak najbliżej układu.

    Wyładowania ESD mogą być znacznie bardziej złożone i trudne do analizy. W przypadku zastosowań motoryzacyjnych ważne jest, aby zrozumieć, na czym polegają testy ESD w normie AEC-Q100 i na jakiego typu wyładowania elektrostatyczne jest izolator wystawiony w systemie. W przypadku komponentów takich jak izolatory, AEC-Q100-002 testuje wyładowania ESD w modelu ludzkiego ciała (HBM), a AEC-Q100-011 testuje pojemnościowy model rozładowania (CDM) ESD.

    Jak sama nazwa wskazuje, test HBM ESD ma na celu sprawdzenie, jak wytrzymałe jest urządzenie, gdy człowiek z ładunkiem elektrostatycznym dotknie wyprowadzenia urządzenia. Rysunek 4 przedstawia konfigurację do przeprowadzenia testu. Test CDM jest zupełnie inny. W tym modelu to urządzenie ma pewien ładunek i rozprasza ten ładunek przez pojedynczy pin na styku o niskiej impedancji. Rysunek 5 przedstawia typową konfigurację testową dla wyładowań CDM. W zastosowaniach motoryzacyjnych standard AEC testuje CDM na każdym pinie trzy razy w kierunku dodatnim i trzy razy w kierunku ujemnym. Zrozumienie tych dwóch typów testów ESD pozwala projektantowi systemu zrozumieć oceny ESD dla urządzenia izolującego i przełożyć to na wymagania systemu.

    Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start
    Rys.4. Typowa konfiguracja testu do badania odporności na ESD


    Wiele testów ESD na poziomie systemu jest wykonywanych na znacznie wyższych poziomach napięć niż wartości znamionowe urządzeń i jest testowanych w wielu punktach z bardzo różnymi ścieżkami do pinów urządzenia izolującego. Jeśli urządzenie izolujące jest składnikiem niepowodzenia w testach ESD systemu, istnieje kilka typowych poprawek. Jeśli uszkodzenie ESD występuje tylko po jednej stronie izolatora, częste zwiększenie pojemności kondensatora filtrującego VDD może pomóc rozwiązać problem. Może być również wymagana ulepszona ochrona ESD po tej stronie izolatora, na przykład dodanie diody zabezpieczającej (transila), obwodu RC lub koralika ferrytowego.

    Jeśli uszkodzenie, spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi, występuje po drugiej stronie bariery izolacyjnej, z uszkodzeniem obu stron izolatora, to wskazane jest dodanie kondensatora przechodzącego przez barierę izolacyjną, między dwoma polami masy. Najpewniej pozwoli to rozwiązać problem. Jest to powszechnie nazywane kondensatorem Y i musi mieć takie samo lub większe napięcie izolacji jak scalony izolator. Podobnie jak urządzenie izolujące, kondensator Y również musi spełniać stosowne normy motoryzacyjne.

    Chociaż prąd stały nie będzie przepływał przez kondensator Y, umieszczony w poprzek bariery galwanicznej, może pozwolić na niewielki wzrost wielkości „prądu upływu” prądu przemiennego, który przepływa między izolowanymi domenami mocy. Wartość pojemności kondensatora Y musi być ograniczona tak, by zapewnić, że wymagania dotyczące prądu upływu w danej aplikacji nie zostaną przekroczone. Jeśli kondensator Y nie rozwiąże problemu, prawdopodobnie wymagane jest urządzenie izolujące o wyższej wartości znamionowej napięcia pracy.

    Izolacja cyfrowa w systemach motoryzacyjnych - co trzeba wiedzieć na start
    Rys.5. Typowa konfiguracja testowa do badania EST z rozładowaniem pojemnościowym.


    Potrzeba stosowania izolacji galwanicznej w pojazdach jest stosunkowo nowa, ponieważ stare systemy 12 V miały niewielkie zapotrzebowanie na wyższe napięcia i elektronikę dużej mocy. Pojazdy elektryczne i hybrydy zmieniły te wymagania. Najnowsza technologia motoryzacyjna koncentruje się na złożonych układach elektrycznych, które działają przy wyższym napięciu niż kiedykolwiek wcześniej. Zmusiło to przemysł motoryzacyjny do przyjęcia nowych technologii izolacji dla linii cyfrowych.

    Wprowadzanie nowych technologii na rynek, zwłaszcza na rynek motoryzacyjny, zawsze wiąże się z wyzwaniami. Jednak dzisiejsza technologia izolacji cyfrowej sprawia, że dodawanie izolacji i sterowanie złożonymi systemami elektrycznymi jest prostsze niż kiedykolwiek. Ponieważ cały czas postępuje elektryfikacja pojazdów, projektanci samochodów będą jeszcze długo polegać na bezpieczeństwie, niezawodności i funkcjonalności urządzeń izolacyjnych, aby dostarczać najnowocześniejsze systemy.

    Źródło: https://www.eetimes.com/digital-isolation-what-every-automotive-designer-needs-to-know/

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10248 posts with rating 8528, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • MetalWorkMetalWork