Introducción
Los avances en la electrónica automotriz han permitido muchas capacidades que han visto más electrónicos empaquetados en vehículos que nunca. Capacidades como GPS, Wi-Fi, Bluetooth, radar, sistemas de detección de ojos e información y entretenimiento, solo por nombrar algunas, mejoran la seguridad y la eficiencia en las carreteras y mejoran la experiencia de conducción en general.
Con más electrónica en los automóviles, el rendimiento continuo y fiable se convierte en un gran desafío. Para que todo esto funcione a la perfección, la electrónica automotriz debe poder funcionar de manera confiable en todos los entornos a los que está expuesta.
La protección del módulo electrónico es de gran preocupación en el diseño electrónico automotriz, ya que la falla en cualquiera de los diversos módulos en todo el automóvil provocará un funcionamiento poco confiable que podría causar resultados no deseados como que la radio satelital no funcione, hasta casos más extremos como accidentes automovilísticos e incluso la muerte. Esta es la razón por la cual la protección de circuitos y el filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI) siempre deben incorporarse en los diseños electrónicos automotrices.
Los peligros potenciales para la electrónica automotriz son los voltajes transitorios que pueden provenir de la acumulación de carga electrostática en los arneses de cableado, el voltaje de descarga de carga del alternador del automóvil y los rayos, por nombrar algunos. Además, el ruido EMI se puede acoplar a los arneses de cableado de forma inalámbrica, lo que también puede causar problemas importantes en el rendimiento de la electrónica automotriz.
Protección contra ESD
La acumulación de carga electrostática en los arneses de cableado puede descargarse en el circuito de un módulo electrónico al primer contacto. La descarga electrostática (ESD) suele ocurrir una sola vez y se puede suprimir con condensadores cerámicos. Los capacitores almacenan carga en un campo eléctrico y, una vez que están completamente cargados, se vuelven como un circuito abierto y ya no pueden cargarse hasta que el capacitor se haya descargado.
Los capacitores son excelentes para eventos ESD de una sola vez porque brindan suficiente protección y son relativamente económicos en comparación con otros dispositivos de protección. Otros dispositivos como los varistores multicapa son más adecuados para la protección contra golpes repetitivos (Figura 1).
Los fabricantes como AVX ofrecen condensadores cerámicos, como la serie ESD-Safe™, diseñados específicamente para proteger contra eventos de ESD en aplicaciones automotrices. Los capacitores ESD-Safe™ se especifican de acuerdo con su tamaño, capacitancia, voltaje máximo de trabajo continuo y capacidad máxima de voltaje ESD (hoja de datos).
Protección de descarga de carga
Los transitorios de volcado de carga también dañan la electrónica del vehículo y, por lo general, ocurren con más frecuencia que los eventos ESD. El volcado de carga ocurre cuando la batería de un automóvil se desconecta repentinamente, dejando varios módulos electrónicos en el automóvil conectados directamente al alternador.
Las corrientes de salida del alternador pueden oscilar entre 50 A y 300 A según el tipo de vehículo, con un automóvil familiar típico en el rango de 50 A a 125 A y camiones pesados y equipos que llegan hasta los 300 A. Las corrientes de salida del alternador transportan mucha energía que debe suprimirse para evitar dañar los módulos electrónicos integrados.
La protección generalmente se incorpora en el regulador de voltaje del alternador, pero se debe aplicar protección adicional en la potencia de entrada de los módulos electrónicos para garantizar una protección total en el peor de los casos.
Los varistores multicapa (MLV), como la serie TransGuard® de AVX, son los mejores dispositivos para proteger contra transitorios de descarga de carga, ya que muestran una alta resistencia a transitorios de alta energía y son capaces de soportar múltiples impactos de alta energía. Los varistores multicapa son dispositivos de montaje en superficie a base de óxido de zinc. El óxido de zinc es un material semiconductor que normalmente es resistivo y se vuelve conductor cuando se aplica suficiente voltaje.
Los MLV contienen capas alternas de óxido de zinc y electrodos metálicos, lo que les da una construcción interna muy parecida a la de los capacitores cerámicos multicapa (figura 2). Esta característica permite que los MLV se comporten como un capacitor cuando están apagados y como un supresor de voltaje transitorio cuando están encendidos.
Usar un MLV para proteger contra transitorios de volcado de carga es relativamente sencillo; basta con incorporar el dispositivo al módulo electrónico a proteger conectándolo en paralelo a la línea de alimentación del módulo (figura 3).
Si bien el uso de un MLV es relativamente sencillo, seleccionar el mejor MLV no es tan simple y se debe tener una consideración cuidadosa al seleccionar qué MLV usar. De gran preocupación es la capacidad de manejo de energía del MLV en comparación con el contenido de energía del pulso transitorio esperado.
El MLV debe poder manejar el pulso transitorio sin incidentes. Los fabricantes como AVX ofrecen MLV diseñados para proteger contra transitorios de volcado de carga (hoja de datos) y ayudan a los clientes de forma rutinaria a determinar el mejor dispositivo de protección para usar mediante una cuidadosa consideración de la aplicación del cliente y los dispositivos de prueba según las especificaciones del cliente. Las notas de aplicación y los documentos técnicos también están disponibles para ayudar a determinar qué dispositivo es el más adecuado para la aplicación.
Protección de líneas de comunicaciones de alta velocidad
La electrónica automotriz está conectada por diferentes redes dependiendo de la funcionalidad. Las redes de interconexión local (LIN) operan en el rango de kilobits por segundo (kbps) y se utilizan para operar ventanas eléctricas, cerraduras de puertas, espejos y sensores simples.
Las redes de área del controlador (CAN) funcionan en el rango de megabits por segundo (mbps) y ofrecen más capacidad para controlar dispositivos electrónicos más sofisticados, como los sistemas antibloqueo (ABS), la unidad de control del motor (ECU) y los módulos de control de las bolsas de aire (ACM) para nombrar unos pocos. Otras redes incluyen FlexRay, MOST y TTP. Bluetooth y Wi-Fi permiten capacidades de infoentretenimiento en el automóvil.
La supresión de transitorios de voltaje de las redes de alta velocidad también es importante, ya que los componentes CAN, Flexray y RF, como Bluetooth y Wi-Fi, son muy sensibles a los transitorios dañinos. La protección de líneas de alta velocidad presenta su propio conjunto de desafíos únicos, ya que la integridad de la señal se pierde con el aumento de la capacitancia. El gráfico de ojo a continuación muestra cómo el aumento de la capacitancia provoca la distorsión de la señal de una señal de 2.5 GHz (Figura 4).
Afortunadamente, los fabricantes de componentes como AVX han desarrollado una protección de baja capacitancia para aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad de datos (Figura 5). Los MLV de baja capacitancia, como la serie CAN (hoja de datos), muestran una capacitancia en el rango de 0.47 pF a 200 pF, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones automotrices de alta velocidad.
http://www.avx.com/docs/masterpubs/transgrd.pdf
Conclusión
La electrónica automotriz ofrece una amplia gama de capacidades y características que mejoran la experiencia de conducción, la seguridad y la confiabilidad de los vehículos de carretera. La sensibilidad de la electrónica automotriz requiere que se incorporen buenas técnicas de protección para una operación segura y confiable continua.
Hay una amplia gama de dispositivos de protección ofrecidos por diferentes fabricantes de componentes, pero con una cuidadosa consideración de los requisitos de la aplicación y las capacidades de los componentes, los condensadores y los varistores multicapa pueden resolver una amplia gama de problemas de protección de circuitos y ofrecer una protección sólida para la mayoría de las aplicaciones automotrices.
