Protéger l'électronique automobile

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Introduction

Les progrès de l'électronique automobile ont permis de nombreuses capacités qui ont vu plus d'électronique embarquée dans les véhicules que jamais auparavant. Des fonctionnalités telles que le GPS, le Wi-Fi, le Bluetooth, le radar, les systèmes de détection oculaire et l'infodivertissement, pour n'en nommer que quelques-uns, améliorent la sécurité et l'efficacité sur les routes et améliorent l'expérience de conduite globale.

Avec plus d'électronique dans les automobiles, des performances fiables et continues deviennent un défi majeur. Pour que tout cela fonctionne de manière transparente, l'électronique automobile doit être en mesure de fonctionner de manière fiable dans tous les environnements auxquels elle est exposée.

La protection des modules électroniques est une préoccupation majeure dans la conception électronique automobile, car une défaillance de l'un des différents modules de l'automobile entraînera un fonctionnement peu fiable pouvant entraîner des résultats indésirables tels que la radio satellite ne fonctionne pas, dans des cas plus extrêmes comme les accidents de voiture et même la mort. C'est pourquoi la protection des circuits et le filtrage des interférences électromagnétiques (EMI) doivent toujours être intégrés dans les conceptions électroniques automobiles.

Les dangers potentiels pour l'électronique automobile sont les tensions transitoires qui peuvent provenir de l'accumulation de charge électrostatique sur les faisceaux de câbles, de la tension de décharge de charge de l'alternateur de la voiture et de la foudre pour n'en nommer que quelques-uns. De plus, le bruit EMI peut être couplé à des faisceaux de câbles sans fil, ce qui peut également causer des problèmes majeurs dans les performances de l'électronique automobile.

Protection ESD

L'accumulation de charge électrostatique sur les faisceaux de câbles peut se décharger dans les circuits d'un module électronique lors du premier contact. Les décharges électrostatiques (ESD) sont généralement un événement ponctuel et peuvent être supprimées à l'aide de condensateurs en céramique. Les condensateurs stockent la charge dans un champ électrique, et une fois complètement chargés, ils deviennent comme un circuit ouvert et ne peuvent plus être chargés jusqu'à ce que le condensateur soit déchargé.

Les condensateurs sont parfaits pour les événements ESD ponctuels car ils fournissent une protection suffisante et sont relativement peu coûteux par rapport à d'autres dispositifs de protection. D'autres dispositifs comme les varistances multicouches sont plus adaptés pour la protection contre les coups répétitifs (Figure 1).

Des fabricants comme AVX proposent des condensateurs céramiques, comme la série ESD-Safe ™, spécialement conçus pour se protéger contre les événements ESD dans les applications automobiles. Les condensateurs ESD-Safe ™ sont spécifiés en fonction de leur taille, capacité, tension maximale de fonctionnement continu et capacité de tension ESD maximale (fiche technique).

Protection de décharge de charge

Les transitoires de décharge de charge endommagent également l'électronique du véhicule et se produisent généralement plus souvent que les événements ESD. Le déchargement de charge se produit lorsque la batterie d'une automobile est soudainement déconnectée, laissant les différents modules électroniques de la voiture connectés directement à l'alternateur.

Les courants de sortie de l'alternateur peuvent aller de 50 A à 300 A selon le type de véhicule, avec la voiture familiale typique tombant dans la plage de 50 A à 125 A et les camions lourds et équipements allant jusqu'à 300 A. Les courants de sortie des alternateurs transportent une grande quantité d'énergie qui doit être supprimée pour éviter d'endommager les modules électroniques embarqués.

La protection est généralement intégrée dans le régulateur de tension de l'alternateur, mais une protection supplémentaire doit être appliquée à la puissance d'entrée des modules électroniques pour assurer une protection complète dans les pires scénarios.

Les varistances multicouches (MLV), comme la série TransGuard® d'AVX, sont les meilleurs dispositifs pour se protéger contre les transitoires de déchargement de charge, car elles présentent une résistance élevée aux transitoires à haute énergie et sont capables de résister à plusieurs chocs à haute énergie. Les varistances multicouches sont des dispositifs de montage en surface à base d'oxyde de zinc. L'oxyde de zinc est un matériau semi-conducteur qui est normalement résistif et devient conducteur lorsqu'une tension suffisante est appliquée.

Les MLV contiennent des couches alternées d'oxyde de zinc et d'électrodes métalliques, ce qui leur donne une construction interne semblable à celle des condensateurs céramiques multicouches (figure 2). Cette caractéristique permet aux MLV de se comporter comme un condensateur dans leur état bloqué et comme un suppresseur de tension transitoire dans leur état passant.

L'utilisation d'un MLV pour se protéger contre les transitoires de déchargement de charge est relativement simple; il suffit d'incorporer l'appareil dans le module électronique à protéger en le connectant en parallèle à la ligne d'alimentation du module (figure 3).

Bien que l'utilisation d'un MLV soit relativement simple, la sélection du meilleur MLV n'est pas aussi simple et une attention particulière doit être prise lors de la sélection du MLV à utiliser. La capacité de traitement de l'énergie du MLV par rapport au contenu énergétique de l'impulsion transitoire attendue est une préoccupation majeure.

Le MLV doit être capable de gérer l'impulsion transitoire sans incident. Des fabricants comme AVX proposent des MLV conçus pour se protéger contre les transitoires de déchargement de charge (fiche technique) et aident régulièrement les clients à déterminer le meilleur dispositif de protection à utiliser en examinant attentivement l'application du client et les dispositifs de test selon les spécifications du client. Des notes d'application et des livres blancs sont également disponibles pour vous aider à déterminer quel appareil est le mieux adapté à l'application.

Protection des lignes de communication haute vitesse

L'électronique automobile est connectée par différents réseaux en fonction de la fonctionnalité. Les réseaux d'interconnexion locaux (LIN) fonctionnent dans la plage de kilobits par seconde (kbps) et sont utilisés pour actionner les vitres électriques, les serrures de porte, les miroirs et les capteurs simples.

Les réseaux de contrôleur (CAN) fonctionnent dans la plage de mégabits par seconde (mbps) et offrent plus de capacités pour contrôler des composants électroniques plus sophistiqués tels que les systèmes antiblocage (ABS), l'unité de commande du moteur (ECU) et les modules de commande d'airbag (ACM) pour nommez-en quelques-uns. D'autres réseaux incluent FlexRay, MOST et TTP. Bluetooth et Wi-Fi activent les capacités d'infodivertissement dans l'automobile.

La suppression de la tension transitoire des réseaux à haut débit est également importante car les composants CAN, Flexray et RF tels que Bluetooth et Wi-fi sont très sensibles aux transitoires dommageables. La protection des lignes à grande vitesse présente son propre ensemble de défis uniques, car l'intégrité du signal est perdue avec l'augmentation de la capacité. Le diagramme de l'œil ci-dessous montre comment l'augmentation de la capacité provoque une distorsion du signal d'un signal à 2.5 GHz (Figure 4).

Heureusement, les fabricants de composants comme AVX ont développé une protection à faible capacité pour les applications haute fréquence et haute vitesse de données (Figure 5). Les MLV à faible capacité, comme la série CAN (fiche technique), présentent une capacité de l'ordre de 0.47 pF à 200 pF, ce qui les rend adaptés à une large gamme d'applications automobiles à grande vitesse.

http://www.avx.com/docs/masterpubs/transgrd.pdf

Conclusion

L'électronique automobile offre un large éventail de capacités et de fonctionnalités qui améliorent l'expérience de conduite, la sécurité et la fiabilité des véhicules routiers. La sensibilité de l'électronique automobile exige que de bonnes techniques de protection soient incorporées pour un fonctionnement continu sûr et fiable.

Il existe une large gamme de dispositifs de protection proposés par différents fabricants de composants, mais en tenant soigneusement compte des exigences de l'application et des capacités des composants, les condensateurs et les varistances multicouches peuvent résoudre un large éventail de problèmes de protection de circuit et offrir une protection robuste pour la plupart des applications automobiles.