ERK'2021, Portorož, 214-217 214 Prenos krmilnega signala med sklopoma podvrženima veliki du/dt in negativni napetosti skupnega na čina Peter Zajec, Andraž Rihar Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-mail: peter.zajec@fe.uni-lj.si Control signal level-shifter subjected to high du/dt and negative common-mode voltage In the future, the two-voltage source concept will prevail in modern vehicles. In general, the devices differ significantly in the rated power and in the magnitude of the high-voltage source. In those not exceeding 60 V, the galvanic isolation between the control and power stage is not mandatory. Thus using the insulating couplers to transfer logic signals between both stages is not cost-effective. As an alternative, level-shifters are commonly used. Yet, most of them are approved for applications with positive common-mode voltage. The paper proposes a custom made level-shifter capable of withstanding negative common-mode voltage and its sharp change (du/dt). The information is translated via a two-channel current generator relying on a controlled current mirror. At the receiving end, the information is restored by comparing the partial voltage drops at the comparator’s inputs. During the design phase, the robustness of the proposed circuit has been analyzed and verified on a dedicated LTspice model and experimentally demonstrated on the fabricated device. 1 Vpogled v ozadje aplikacije Danes prevladujo ča osebna vozila imajo vgrajeno le 12 V baterijo, kar ne zadostuje za motorna vozila z elektri čnimi ali hibridnimi pogoni, kjer ve čje mo či bremen narekujejo uporabo virov z višjo nazivno napetostjo. Prehod na izklju čno en napetostni nivo je malo verjeten, temve č se pri čakuje, da bo v prihodnje prevladovala dvo-sistemska zasnova elektri čnih tokokrogov sodobnih vozil - pa naj si gre pri tem za mehke hibride ali povsem elektri čna vozila [1]–[3]. Pogonski sklopi teh vozil kot tudi sklopi po nazivni mo či zmogljivejših naprav (klima, …) se bistvenejše lo čijo po magnitudi visoko-napetostnega vira, ki pri mehkih hibridih ne presega 60 V, medtem ko razpon napetosti pri povsem elektri čno gnanem vozilu najpogosteje znaša med 400 V in 800 V. Notranja struktura (slika 1) omenjenih naprav tako praviloma sestoji iz visokonapetostnega – mo čnostnega pretvornika in nizkonapetostnega – nadzornega dela. Za usklajeno obratovanje je med njima vzpostavljeno ve čje število merilnih in krmilnih tokokrogov, medtem ko s preostalimi napravami (ECU) izmenjuje informacije preko ustaljenih komunikacijskih kanalov (CAN ipd). 1.1 Omejitve pri realizaciji krmilnih tokokrogov v avtomobilski tehniki Tehni čna rešitev prenosa informacij iz merilnih in krmilnih tokokrogov je prepuš čena na črtovalcu, mora pa obvezno prepre čiti vsak nenamerni kratek stik med napajalnima tokokrogoma. V ta namen se najpogosteje uporabljajo izolacijski sklopniki, ki delajo po opti čnem, induktivnem ali kapacitivnem na čelu. Pomanjkljivost teh rešitev je, da so sorazmerno velike in razmeroma drage in kot take v dvo-sistemski zasnovi elektri čnih tokokrogov z napetostjo izpod 60 V, kjer galvanska lo čitev med tokokrogoma ni obvezna, stroškovno neutemeljene. 12 V 48 V nadzorni del mo čno st ni pretvornik aktuator (breme) ECU šasija vozila GND_12 GND_48 Slika 1. Konceptualna zasnova dvo-sistemskega napajalnega tokokroga z napetostma pod 60 V. Nabor namembno oblikovanih vezij za prenos informacij z diskretnimi ali zveznimi elektri čnimi signali dodatno omejuje zahteva, da vezja, ki so sicer prilagojena majhnemu razponu merilnih in krmilnih signalov (vse pogosteje izpod 3,3 V), ostanejo nepoškodovana tudi ob navzo čnosti mnogo višje napetosti (vse do magnitude visoko-napetostnega vira). Ali kar je ko čljivejše, da morajo omogo čati prenos informacije navkljub njeni prisotnosti. Tovrstni primer, ki je del testnih preskusov naprave, v avtomobilski tehniki nastopi ob prekinitvi vodnika med napravo in negativnim polom visoko-napetostnega vira, ali ob prekinitvi vodnikov proti šasiji. Ne glede na specifi čen primer, se med referen čnima potencialoma (GND_12 in GND_48) pove ča potencialna razlika, ki lahko doseže maksimalni iznos enak magnitudi visoko-napetostnega vira. Sprememba potencialne razlike nastopi praviloma izjemoma, a izvrši se z veliko strmino porasta, ki na zanesljivost prenesene informacije vpliva mnogo bolj škodljivo kot sama magnituda potencialne razlike. 215 Navedenemu izzivu je posve čeno nadaljevanje članka, kjer bomo opisali specifi čen primer, kjer je vezje za prenos informacije podvrženo ne le ob časnemu temve č pogostnemu nastopu visoke potencialne razlike s so časno veliko strmino (du/dt) njenega porasta in upada. Razlika je le v tem, da potencialna razlika ne nastopi zaradi fizi čne prekinitve predhodno omenjenih vodnikov, temve č zaradi prekinitve tokokroga s tako imenovanim varnostnim stikalom, ki je del naprave. 2 Varnostno stikalo Varnostna stikala v avtomobilskih sklopih so namenjena preprečitvi škode ob izjemnih dogodkih, ki nastopijo zaradi prekomerne obremenitve (kratek stik). Prav tako morajo napravo varovati v primeru zamenjave polov napetostnega vira. Tovrstni zaš čiti sta praviloma podvržena oba vira, a v konkretnem primeru se opis nanaša le na izvedbo in delovanje visoko-napetostnega varnostnega stikala. Stikalo (slika 2) sestoji iz dveh zaporedno vezanih in namembno razli čnih tranzistorskih stikal Q_OnOff in Q_rev z vzporedno vezanima lastnima diodama. V primeru priklju čitve napetosti U 48 napa čne polaritete v nadzornem vezju stikala izostane napetost U 12reg . Tranzistor Q_rev ni prožen zato se vsa potencialna razlika, ki sovpada z magnitudo napetosti U 48 , vzpostavi preko njegove reverzno polarizirane diode. Ob pravilni priklju čitvi U 48 tranzistor Q_rev služi izklju čno zmanjšanju padca napetosti na njemu vzporedni diodi, zato je posledi čno majhna in jo zaradi enostavnosti razlage lahko zanemarimo. Prekinitev mo čnostnega tokokroga – ob nameri uporabnika posredno sporo čeni preko nadzornega mikrokrmilnika (MCU) ali neodvisno sprožene ob pojavu prekomernega toka, ter njegovo ponovno sklenitev, omogo ča tranzistor Q_OnOff. Oba sklopa varnostnega stikala morata delovati avtonomno, predvsem pa zagotavljati najvišji nivo nad- tokovne zaš čite, neodvisno od delovanja ali morebitnih okvar v ostalih podsklopih naprave. V ta namen je med tranzistorja Q_OnOff in Q_rev umeš čen merilni upor, čigar padec napetosti se posreduje vezju nad-tokovne zaš čite varnostnega stikala. Prožilni ter omenjeno vezje se napajajo iz avtonomnega regulatorja napetosti U 12reg , ki ga je možno onemogo čiti s ciljem zmanjšanja lastne rabe v mirovanju. Umestitev varnostnega stikala v povratni (negativni) vodnik, ki povezuje vir napetosti U 48 z bremenom, je nezna čilna – vendar neobhodna v konkretnem primeru, saj umestitev Q_OnOff v dovodni (pozitivni) vodnik ne rešuje vseh zahtev glede varnega obratovanja ob nastopu kratkih stikov med priklju čnimi sponkami naprave. Prož. vezje Com SS_en SS_on Prož. vezje +12V_int +3.3V_int +1.2V_int I LS +12V_int U 12reg +48V nadzor ni del = varnostno stikalo mo čnostni pretvornik aktuator (breme) šasija vozila GND_12 GND_int 12 V 48 V GND_ss MCU GND_48 Supply + - Q_OnOff Q_rev C vh U_CM TVS U_48* L P Lo gik a S S stik a la Slika 2. Umestitev varnostnega stikala in konceptualna rešitev njegovega krmiljenja. 216 3 Prenos krmilnega signala med vezjema razli čnih referen čnih potencialov Opisana umestitev stikala narekuje specifi čno rešitev za vklop in izklop tranzistorja Q_OnOff, kajti številnih prilagodilnih vezij (ang. level-shifter) namre č ni možno uporabiti za prenos krmilnega signala med MCU-jem in logi čnim vezjem varnostnega stikala. Razlog ti či v negativni napetosti med njunima referen čnima vozliš čema (GND_int, GND_SS) – t.i. napetost skupnega na čina (ang. common-mode voltage), ki jo dopuš čajo le posamezna namenska prilagoditvena vezja [4], [5]. 3.1 Diferen čna zasnova krmiljenega tokovnega generatorja Da bi zagotovili visoko zanesljivost vklopa/izklopa tranzistorja Q_OnOff tudi ob navzo či veliki strmini porasta potencialne razlike med GND_int in GND_SS, delovanje predlaganega prilagodilnega vezja sloni na uporabi i) krmiljenega tokovnega generatorja in ii) diferen čne zasnove signalne poti. Prilagodilno vezje za posredovanje krmilnega signala sestoji iz oddajnega in sprejemnega dela. Slika 3. Oddajni del vezja - referen čni potencial GND_int. Referen čni potencial (GND_int) oddajnega tokovnega generatorja (slika 3) je istoveten potencialu MCU-ja. Osrednji del tokovnega generatorja tvori t.i. tokovno ogledalo (Q 1 , Q 2 ), čigar tok je možno spreminjati s krmilnim signalom SS_en med diskretnima vrednostma (0 in 1 mA). Signal ima tudi pomožno vlogo, ki bo razvidna v nadaljevanju. Tok ogledala se nato glede na vrednost krmilnega signala SS_OnOff, ki služi vklopu/izklopu tranzistorja Q_OnOff, preusmeri skozi enega od tokokrogov (SS1, SS2) k sprejemnemu delu (slika 4), kjer se sklene skozi zaklju čna upora (R20 in R21). Padca napetosti na uporih medsebojno primerjamo z napetostnim primerjalnikom - komparatorjem (IC2). Izhodni signal primerjalnika se nato v logi čnem vezju varnostnega stikala kombinira s signalom nad-tokovne zaš čite. Združena vklapljata/izklapljata tranzistor Q_OnOff. Delovanje diferenčne zasnove krmiljenega generatorja toka je razvidno iz poteka signalov (slika 5) dobljenega s simulacijskim tekom. U_compA U_compB Logika SS stikala U_AB Slika 4. Sprejemni del vezja - referen čni potencial GND_SS. SS_en SS_OnOff U12reg_en U12reg U_AB Slika 5. Potek signalov krmiljenega tokovnega generatorja. Iz poteka vidimo, da razlika napetosti (U_AB = U_compA - U_compB) na vhodu primerjalnika sledi krmilnemu signalu SS_OnOff, a le od t = 2 ms, ko je s signalom SS_en omogo čeno delovanje tokovnega generatorja. Z istim krmilnim signalom se v sprejemnem delu vezja aktivira delovanje regulatorja napetosti. To storimo z napetostjo U12reg_en, ki je za padec na diodah D4 in D5 manjša od padca napetosti na zaklju čni upornosti posamezne tokovne linije. Vidimo, da napetost ob spremembi logi čnega stanja signala SS_OnOff ohrani vrednost. Ustaljena vrednost napetosti med vhodoma primerjalnika U_AB je pogojena s tokom generatorja, tj. z uporom R6, tranzistorjem Q7 ter tokovnim oja čenjem tranzistorjev Q1 in Q2. Nelinearnost in temperaturna odvisnost njunih karakteristik povzro čata ob spreminjajo či se napetosti med potencialoma +12V_int in GND_SS tudi manjšo variacijo toka ogledala. Slednja na pravilno razpoznavo krmilnega ukaza (vklop / izklop) v sprejemnem delu vezja ne vpliva, ker je le-ta zasnovan na primerjavi delnih napetosti (U_compA, U_compB). S tovrstno zasnovo je v najve čji možni meri izni čen vpliv naglega porasta napetosti med GND_int in GND_SS, ki je s stališ ča generatorja toka interpretirana kot napetost skupnega na čina. Navedena nedovzetnost vezja na sliki 5 ni evidentna, saj sta spremembi U_AB in napetosti skupnega na čina vzro čno povezani – nastopita tako reko č so časno. 217 U_AB U_CM Slika 6. Potek U_AB – dokaz nedovzetnosti prenosa informacije ob prisotnosti U_CM z visoko strmino du/dt. Bolj otipljiv dokaz nam nudi simulacijski tek pri katerem varnostno stikalo ni bilo proženo na podlagi vhodne napetosti primerjalnika U_AB, temve č je bilo za namen dokaza proženo periodi čno z neodvisno napetostjo pulzne oblike. Tokovni generator je zato izpostavljen periodi čno spreminjajo či napetosti skupnega na čina U_CM (slika 6) amplitude 60 V. Ob identi čnem poteku krmilnih signalov SS_OnOff in SS_en, prepoznamo dodatne superponirane konice v poteku vhodne napetosti U_AB primerjalnika. V primerjavi z ustaljeno vrednostjo je njihova magnituda majhna, zato trenutni iznos napetosti ne doseže preklopnega praga primerjalnika (osen čeno podro čje na sliki 5 in 6), ki znaša vsega 200 mV. Primerjalnik ohrani svoje izhodno stanje, s čimer je prepre čen morebiten nenameren vklop ali izklop varnostnega stikala. 4 Preveritev zanesljivosti prilagodilnega vezja V praksi je magnituda napetostnih konic presegala vrednost s slike 6, saj je poleg frekven čnih lastnosti tranzistorjev tokovnega generatorja pogojena tudi z na tiskanem vezju prisotnimi prostorsko porazdeljenimi kapacitivnostmi med obema referen čnima vozliš čema. Poskusa, kot ga kaže slika 6, na realnem vezju ni možno opraviti. Kot delno potrditev zasnove vezja prilagamo prikaz poteka napetosti na stikalu U_CM in U_48* (slika 2) med izklopom kratkosti čnega toka, ko za stikalo nastopijo najneugodnejši pogoji. Slika 7.a kaže poteka obeh napetosti namerno modificiranega stikala, kjer vidimo, da je vezje (namerno) dovzetno na veliko du CM /dt, ki nastopi ob izklopu stikala (t 0 ), zaradi česar stikalo nepri čakovano vklopi in ponovno izklopi (t 2 ). Potek napetosti na sliki 7.b ponazarja pravilno delovanje stikala pri izklopu toka magnitude 400 A ter pri nazivni napetosti U_48. Porast napetosti preko nazivne vrednosti je posledica v parazitni induktivnosti (L p ) nakopi čene energije, ki se v intervalu T P sprosti na prenapetostni komponenti (TVS). Po kon čanem razmagnetenju (t 1 ) napetost na stikalu upade skoraj do vrednosti 0 V, navkljub v trenutku t 0 izklopljenemu varnostnemu stikalu. Omenjeni potek je sprva zavajajo č, a ne gre spregledati dejstva, da je kondenzator C vh na vhodu mo čnostne stopnje (slika 2) ostal napolnjen na nazivno napetost U_48. U_CM a) nedovoljeno delovanje stikala b) pravilno delovanje stikala U_48* U_48* U_CM U_CM U_48* U_CM U_CM U_48* T P t 0 t 1 t 0 t 1 t 2 Slika 7. U_CM in U_48* po prekora čitvi toka varnostnega stikala. Zahvala ⎯ Delo je sofinancirala ARRS v sklopu financiranja programske skupine P2-0258 in delno v okviru projekta L2619 »Napredni elektronski napajalni modul za avtomobilski katalizator«. 5 Literatura [1] C. Hoff and O. Sirch, Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement VII, 1st ed. Renningen: expert, 2016. [2] S. Cabizza, L. Corradini, G. Spiazzi, and C. Garbossa, ‘Comparative Study of 48V-based Low-Power Automotive Architectures’, in 2020 IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), Nov. 2020, pp. 1–8. doi: 10.1109/COMPEL49091.2020.9265730. [3] S. Saponara, P. Tisserand, P. Chassard, and D. My-Ton, ‘DC/DC converter integrated architecture for 48V supplies in micro/mild hybrid vehicle electrical engine control module’, in 2016 IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Jun. 2016, pp. 1–5. doi: 10.1109/EEEIC.2016.7555855. [4] J. Wittmann, T. Rosahl, and B. Wicht, ‘A 50V high- speed level shifter with high dv/dt immunity for multi- MHz DCDC converters’, in ESSCIRC 2014 - 40th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), Sep. 2014, pp. 151–154. doi: 10.1109/ESSCIRC.2014.6942044. [5] S. Fraiss, ‘Smart High-Side Switches, Application note’, p. 81.