כיצד להבטיח הגנת מעגלים, נתונים במהירות גבוהה והמרת הספק עבור פלטפורמות eMobility

הצורך בהגנת מעגלים אמינה, תקשורת במהירות גבוהה ופתרונות המרת הספק קומפקטיים במערכות eMobility ותחבורה הולך וגדל על פני מגוון של פלטפורמות, כולל מכוניות היברידיות וחשמליות, אוטובוסים, רכבים בינוניים וכבדים בכבישים ומחוץ לכבישים, ובפלטפורמות ימיות. מגמות אלה מונעות על ידי דגש הולך גובר על קיימות ובטיחות כאשר תעשיית התחבורה עוברת לשליטה יותר אוטונומית ולרכבים חשמליים (EV) או רכבי EV היברידיים (HEV). כתוצאה מכך מתפתחות מערכות רכב חדשות שהולכות ונהיות יותר תלויות בפעולה בטוחה וברת-קיימא של הרכב.

על מנת להבטיח בטיחות ואמינות, מתכנני רכבים מחוברים, חשמליים ואוטומטיים זקוקים למגוון רחב של הגנות מעגלים, יחד עם פתרונות תקשורת והספק המיועדים עבור פעולה אמינה בסביבות מאתגרות, והם מורשים לעמידה ב- AEC-Q200, SAE ,USCAR, ותקני ביצועים אחרים.

מאמר זה סוקר בקצרה כמה מהמפרטים של התקני הגנת מעגלים שהמתכננים צריכים לשקול. לאחר מכן הוא מציג פתרונות הגנת מעגלים, קישוריות והמרת הספק ספציפיים מבית Bel Fuse‏ ובוחן את השימוש במוצרים אלה במערכות eMobility.

רכיבי ותקני הגנה ברכבים חשמליים (EV)

כדי להתמודד עם האתגרים סביב רכבי EV, המתכננים יכולים לפנות למגוון של פיתרונות הגנת מעגלים, תקשורת במהירות גבוהה והמרת הספק המיועדים ומורשים עבור כלי-רכב, כולל:

• נתיכים בתוך תרמיל להרכבה על לוחות מעגלים מודפסים (חור-עובר והרכבה-משטחית), תצורות בורג בהיסט (Offset) הממוטבות עבור מערכות ותת-מערכות הספקת-כוח, פלוס נתיכים עבור יישומי ואביזרי עזר כגון מערכות ראדאר לסיוע לנהג, מנועי משאבות בלמים, מטענים ניידים, מערכות סוללות, מערכות מידע ובידור, מצלמות, תאורה ניתנות-לתכנות והיגוי כוח, כולם מורשים לכלי-רכב. בנוסף, יישומים ספציפיים ידרשו זרם התנעה גבוה, הפעלה מהירה, הפעלה איטית ונתיכי פולימר עם מקדם טמפרטורה חיובי (PPTC‏) מתאפסים.
• משנקי שיכוך הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) לסינון רעשים ולהגנת אותות נתונים במהירות גבוהה עבור תת-מערכות חיישנים רבות של מערכות ADAS‏ וניווט, מערכות מולטימדיה, אשכולות רכב-לכל-דבר (V2X) ואנטנות, ומתן שיכוך רעשים דיפרנציאליים עבור Ethernet‏ בכלי-רכב, אפיק רשת אזור בקרים (CAN‏), FlexRay‏ אפיק טורי אוניברסלי (USB‏) לכלי-רכב, כולם מורשי AEC-Q200‏.
• מחברי RJ45‏ מסוככים-במלואם התואמים עבור "מפרט ביצועים עבור מערכת מחברים חשמליים בכלי-רכב - גרסה 6‏" של Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6‏, המאפשרים למתכננים להחליף אפיקי CAN עם Ethernet‏ לכלי-רכב מהיר יותר וקל-משקל יותר, לתמיכה בצרכים הגדלים של מיחשוב בתוך-הרכב במגוון של מערכות ADAS‏ כגון מצלמות ומערכות מבוססות ראדאר לסיוע לנהג, כמו גם מערכות טלמטיקה, ממירי מדיה ושערים (Gateways).
• ממירי הספק מורשי IP67‏, כולל מטעני סוללות עבור רכבים חשמליים והיברידיים שהם מורשים לכלי-רכב ומוצעים במימושי קונבקציה או מקוררי-נוזל עם בידוד גלווני.

בחירת התקני הגנת מעגלים

כשבוחרים התקן מתאים, הבנה ברורה של מאפייני הפעולה שלו היא חשובה כאשר מגדירים את התקני הגנת מעגלים עבור מערכות eMobility. כמה מהמפרטים הבסיסיים כוללים:

• דירוג המתח: המתח המקסימלי המותר עבור פעולה בטוחה
• דירוג הזרם: הזרם באמפר (A) שהנתיך יכול לשאת בתנאי פעולה רגילים
• זרם הניתוק (נקרא גם דירוג הניתוק או דירוג קצר): הזרם המקסימלי שהנתיך יכול לנתק במתח הנומינלי שלו מבלי להינזק; זרם הניתוק חייב לעמוד או לעבור את זרם התקלה המקסימלי הצפוי עבור המעגל
• עקומת הזרם בזמן: מגדירה אם הנתיך הוא בעל הפעלה מהירה או הפעלה איטית (נקראת גם הפעלה מושהית); משתמשים בנתיכים בעלי הפעלה מהירה כאשר מהירות ההגנה קריטית; נתיכים עם הפעלה איטית משמשים ביישומים שבהם יש נחשול זרם או עומס-יתר לזמן קצר

t‏^2‏I‏: מפרט ללא תקן בדיקה

מפרט הדורש תשומת לב מיוחדת הוא דירוג ההיתוך הנומינלי, t‏^2‏I (מבוטא "I בריבוע T"). זהו מדד לאנרגיה הנדרשת להתכת אלמנט הנתיך, מאפיין נתיך חשוב עבור כל יישום. ה- t‏^2‏I‏ מבוטא כ- זרם בריבוע שניות" (sec‏^2‏A). לצערם של המתכננים, תקן UL/CSA 248‏ כמו גם תקן IEC127‏ עבור נתיכים זעירים ומיקרו-נתיכים אינם כוללים הליך בדיקה או קריטריוני בדיקה עבור t‏²I‏. ההגדרה הסטנדרטית בתעשייה של t‏^2‏I‏ היא:

t‏^2‏I‏ MELTING ב- In‏10, באמצעות זרם-ישר (DC‏) קבוע, כאשר ln‏ הוא הזרם הנומינלי של הנתיך.

השימוש ב- In‏10 יכול להיות בעייתי והוא לא תמיד מביא לזמני פתיחה מדויקים. במיוחד, נתיכים עם הפעלה-איטית עשויים לדרוש מכפלה גבוהה יותר מפי 10 מהזרם הנומינלי כדי להגיע לערך t‏^2‏I‏ אמיתי. מכיוון שיצרנים שונים מתמודדים עם דילמה זו באופן שונה, חשוב למתכננים להבין היטב את השיטה שבה משתמשים כדי להגיע לערכי t‏²I‏ עבור נתיכים ספציפיים. דיון מפורט יותר באתגרים אלה זמין כאן: הסברת t‏²I‏.

נתיכי שבב עם הפעלה-מהירה ועם הפעלה-איטית

המתכננים של מערכות ניווט לכלי-רכב, מערכות ניהול סוללות (BMS) ליתיום-יון (Li-Ion), פנסים קדמיים LED‏, Power Over Ethernet‏ (PoE‏), +‏PoE‏, וצגי גביש נוזלי (LCD‏) לכלי-רכב יכולים להפיק תועלת משימוש בנתיכי שבב בהרכבה-משטחית המבוססים על טכנולוגיית פילם-עבה, כגון סדרת 0685P של נתיכים עם הפעלה-מהירה. סדרת 0685P מציגה יכולת עמידה בזרם התנעה גבוה. נתיכים תואמי AEC-Q200 ומורשי UL אלו בגודל 1206 זמינים עם דירוגי זרם מ- A‏ 2‏ עד A‏ 50‏, ודירוג מתח (וולט) של 50 וולט זרם חילופין (AC) ו -63 וולט DC. דגם 0685P3000-01 מדורג עבור A‏ 6‏ עם דירוג t‏^2‏I של sec‏^2‏A‏ 1.3 ב- In‏10‏.

עבור מתכננים הזקוקים לנתיכים עם הפעלה-איטית, חברת Bel מציעה את סדרת C1T‏ של נתיכי שבב בגודל 1206‏ (איור 1‏). הם זמינים עם קיבולת זרם מ- 750 מיליאמפר (mA) עד A‏ 8‏ ומדורגים עבור 63 וולט AC או DC. דגם 0685P6000-01 מדורג עבור A‏ 6.0‏ עם דירוג t‏^2‏I של sec‏^2‏A‏ 6.0 ב- In‏10‏. הנתיכים עם הפעלה-איטית של סדרת C1T‏ הם מורשי UL‏, CSA ו- CE, והם מורשים ל- IEC 60127‏ עבור נתיכים זעירים.

איור 1: נתיכי שבבים כמו סדרת C1T עם מכה איטית משמשים במגוון יישומי רכב בהם חשוב גורם צורה קומפקטי. (מקור התמונה: Bel Fuse)

התקני PPTC‏ מתאפסים

תכנים היכולים להפיק תועלת מהגנת מעגלים ניתנת-לאיפוס עם התנגדות פעולה נמוכה ביותר וזרם החזקה גבוה ביותר יכולים להשתמש בהתקני PPTC. נתיכי PPTC יכולים להיות שימושיים במיוחד ביישומים כגון הגנת מנועים ומעגלי מנועים במנעולי דלתות חשמליים, מראות, מושבים, גגות שמש וחלונות, כמו גם מערכות חימום אוורור ומיזוג אוויר (_AC‏HV) והגנת I/O‏ של יחידת בקרה אלקטרונית (ECU‏).

חברת Bel מציעה שתי משפחות עבור נתיכי PPTC. שתיהן תואמות AEC-Q, מורשות TUV עבור EN/IEC 60738-1-1‏ ו- EN/IEC 60730-1‏, ומוכרות UL‏ ל- UL1434‏:

• נתיכי PPTC עם מוליכים רדיאליים 0ZRS‏ מדורגים מ- mA‏ 500‏ עד A‏ 10‏ עם מתח מקסימלי של _DC‏V‏ 32 ודירוי הספק טיפוסיים מ- W‏0.9 עג W‏ 7.0‏ (איור 2‏). לדוגמה, ה- 0ZRS0100FF1E‏ הוא בעל זרם הפעלה של A‏ 1.9‏, זרם החזקה של A‏ 1.0‏ והוא מדורג עבור W‏ 1.4‏.
• נתיכי PPTC להרכבה-משטחית 0ZCG‏ מדורגים מ- mA‏ 100‏ עד A‏ 3‏ עם מתחים מקסימליים מ- 6 עד 60 וולט DC‏, ודירוגי הספק טיפוסיים מ- W‏ 0.8 עד W‏ 1.3‏. התקן 0ZCG0110BF2B‏ ממשפחה זו מדורג עבור 24 וולט DC‏, ויש לו זרם החזקה של A‏ 1.1‏, זרם הפעלה של A‏ 2.2‏ ודירוג הספק של W‏ 1‏.

איור 2: נתיכי PPTC עם מוליכים רדיאליים OZRS‏ מדורגים עבור 32 וולט DC‏ ועד A‏ 10‏. (מקור התמונה: Bel Fuse)

נתיכים עבור עמידה בזרמי התנעה

סדרת 0680L‏ היא של נתיכים קרמיים להרכבה-משטחית בסגנון מרובע עם גודל מארז 2410 בעלי יכולת עמידה בזרם התנעה גבוה (טבלה 1). נתיכים עם הפעלה-איטית אלו מתוכננים עבור יישומים הדורשים דירוגי ניתוק DC‏ גבוהים ומתחי DC‏ גבוהים. הם מדורגים עד 125 וולט DC או AC ומציעים דירוגי זרם מ- mA‏ 375‏ עד A‏ 12‏. נתיכי 0680L‏ הם תואמי AEC-Q‏.

טבלה 1: מאפיינים חשמליים של נתיכי הפעלה-איטית בהרכבה-משטחית סדרת 0680L. (מקור התמונה: Bel Fuse)

נתיכים עם הפעלה-איטית אלו משמשים לעיתים קרובות עבור הגנת מעגלי PoE‏, +PoE‏, ספקי-כוח וטעינת סוללות; ה- 0680L3000-05‏ מדורג עבור A‏ 3‏ ו- W‏ 0.81‏ עם דירוג -t‏^2‏I‏ של sec‏^2‏A‏ 13‏ ב- In‏10‏.

נתיכי הספקת-כוח EV‏ עם הפעלה-מהירה

המתכננים יכולים לפנות לנתיכים בעלי הפעלה-מהירה בתצורות תרמיל או עם ברגים עבור הגנה על סוללות וממירי הספק EV בהספק-גבוה. נתיכים אלה תואמים באופן מלא עם הנחיית האיחוד האירופי 2011/65‎/EU‏ וההנחיה הנוספת 2015/863. הם מתוכננים לעמידה ב- UL 248-1 כמו גם בדרישות האמינות של JASO D622‏ ו- ISO8820-8‏. יישומים אופייניים כוללים:

• נתיכים עבור המערכת הראשית
• תחנות טעינה
• אחסון אנרגיה ומארזי סוללות
• יחידות פילוג כוח
• ממירי DC-ל-DC על-הרכב
• מנועי משאבת בלם
• מנועי מדחסי מיזוג אוויר
• מערכות היגוי חשמליות

הם יכולים לטפל בזרמים של עד A‏ 600‏ ודירוגי מתח מ- 500 עד 1,000 וולט DC‏; ה- 0ADAC0600-BE‏ הוא דוגמה טובה לנתיך מסוג תרמיל המדורג עבור mA‏ 600 ו- _DC‏V או _AC‏V של V‏ 600‏, עם דירוג t‏^2‏I‏ של sec‏^2‏A‏ 0.073 ב- In‏10‏.

נתיכים עם שיהוי זמן עבור EV‏

סדרת 0697W‏ של נתיכים תת-זעירים, עם מוליכים רדיאליים ושיהוי-זמן היא בעלת דירוגים של 350 וולט AC‏ או 72 וולט DC‏, דירוג זרם של מ- A‏ 1‏ עד A‏ 6‏, והיא תואמת עם IEC 60127-3‏ (איור 3‏). נתיכים אלה תואמים עם איכות AEC-Q ותקני הסביבה Mil-Std 202G‏.

איור 3: סדרת 0697W של נתיכים למתח גבוה עם מוליכים רדיאליים ושיהוי-זמן תואמי AEC-Q. (מקור התמונה: Bel Fuse)

היישומים עבור התקני 0697W כוללים ECU, מנועים, פקדי אקלים ואוורור, תקעים ואביזרי מצת סיגריות, שקעי כוח וצמות חוטים. לדוגמה, ה- 0697W2000-02 מדורג עבור A‏ 2‏ ו- W‏ 0.63 עם דירוג t‏^2‏I‏ של sec‏^2‏A‏ 30‏ ב- In‏10‏.

משנקי אופן-משותף עבור תקשורת במהירות גבוהה

המתכננים של מערכות מידע ובידור, מולטימדיה ו- ADAS‏ בכלי-רכב המשתמשים ב- Ethernet‏, אפיק CAN‏, FlexRay‏ או אפיק תקשורת USB‏ יכולים לפנות לסדרת SPDL‏ מבית Signal Transformer‏ של משנקי אופן-משותף אולטרה-קומפקטיים מורשי AEC-Q200‏ עבור שיכוך של רעשי אופן דיפרנציאלי (איור 4‏). משנקי התקני הרכבה-משטחית (SMD‏) קומפקטיים אלו מוצעים בארבעה גדלים מטריים, 2012‏, 3216‏, 3225‏ ו- 4532‏, ועם 26 דירוגי רכיבים שונים. לסדרת SPDL יש תחום זרמים נומינליים מ- mA‏ 150‏ עד mA‏ 400‏ ותחום אימפדנסים מ- 90 עד2,200 אוהם (Ω‏). דגם SPDL3225-101-2P-T מדורג עבור mA‏ 150‏ ו- Ω‏ 2,200‏ עם השראות של 100 מיקרו-הנרי (µH‏).

איור 4‏: סדרת SPDL‏ של משנקי אופן-משותף SMD‏ אולטרה-קומפקטיים יכולה לשמש עם Ethernet‏, אפיק CAN‏, FlexRay‏ או ממשקי תקשורת USB‏. (מקור תמונה: Signal Transformer)

שדרוג ל- Ethernet

הודות לקצב הנתונים המהיר יותר והכבל קל-המשקל יותר שלו, המתכננים מחליפים את אפיק CAN ב- Ethernet במספר הולך וגדל של יישומי eMobility. למודולי מחברים משולבים (ICM‏) עם נקודת-חיבור Ethernet‏ אחת לכלי-רכב MagJack מבית Bel Fuse‏ יש פיתרון מגנטי Ethernet‏ המשולב לתוך מארז המחבר. התוצאה היא פיתרון קומפקטי יותר המפשט את משימת שדרוג מערכות אפיק CAN קיימות עם סגנונות איתות וכבלים Ethernet (איור 5). מודולי ICM‏ Ethernet‏ MagJack פועלים עד C‏°‏100‏ והם תואמי SAE/USCAR2-6‏. מודולי ICM אלה מורשים על ידי Broadcom‏, Intel ו- Marvell‏ והם תואמים עם מקמ"שים סטנדרטיים בכלי-רכב, דבר המפשט עוד יותר את המעבר ל- Ethernet‏.

איור 5‏: מודולי ICM‏ עם נקודת-חיבור Ethernet‏ אחת MagJack הם בעלי מגנטיות משולבת כדי לענות על הצורך בפיתרונות קומפקטיים. (מקור התמונה: Bel Fuse)

דוגמה לכך הוא ה- ICM לכלי-רכב A829-1J1T-KM העומד בכל הדרישות החשמליות של IEEE 802.3 10/100Base-T.

המרת הספק עבור רכבי HEV‏ ו- EV‏

חברת Bel Power Solutions מציעה למתכננים מגוון רחב של אפשרויות המרת הספק עבור eMobility כולל ממירי DC-DC, ממירי DC-DC דו-כיווניים, מטענים על-הרכב, מהפכי עזר ומערכות מטענים מהפכים המשלבות מטען מהפך דו-כיווני עם שני ממירי DC-DC מורידי-מתח. לדוגמה, ה-BCL25-700-8‏ הוא מטען סוללות 22 קילוואט (kW‏) על-הרכב מקורר-נוזל עבור רכבי HEV‏ ו- EV‏ על פלטפורמות רכבים בינוניים וכבדים לפעולה על כבישים ומחוץ לכבישים (איור 6‏). המאפיינים והמפרטים של BCL25-700-8‏ כוללים:

• כניסה חד-פאזית ( 190 עד 264 וולט AC‏) או כניסה תלת-פאזית (330 עד 528 וולט AC‏)
• יכולת התחברות לרשת החשמל AC או לתחנת טעינה של Electric Vehicle Supply Equipment‏ (EVSE‏) (IEC 61851-1‏ .Std‏ EV‏)
• זרם יציאה קבוע של A‏ 60‏ על-פני תחום מתחים מ- 250 עד 800 וולט DC‏
• ניתן לחבר במקביל עד ארבע יחידות
• תאימות IP67‏ ו- IP6K9K
• הרשאות IEC 61851-21-1‏ ו- ECE R10.6‏
• ממשק SAE J1772‏ ו- CAN‏ תואם SAE J1939‏
• ניטור אינטרלוק DC‏ למתח גבוה אקטיבי
• פעולה מ- 40°C- עד 60°C בעומס מלא
• הגנות טמפרטורת-יתר, זרם-יתר ומתח-יתר ביציאה

איור 6‏: ה- BCL25-700-8‏ הוא מטען סוללות kW‏ 22‏ מקורר-נוזל על-הרכב עבור רכבי HEV‏ ו- EV המיועדים עבור יישומי רכבים בינוניים וכבדים לפעולה על כבישים ומחוץ לכבישים. (מקור התמונה: Bel Fuse)

סיכום

יש צורך במגוון רחב של פיתרונות הגנת מעגלים, תקשורת והמרת הספק כדי לתמוך בדרישות הבטיחות והקיימות של הדור-הבא של כלי רכב שהם יותר ויותר מחוברים, חשמליים ואוטומטיים. כפי שהוצג, למתכננים יש גישה נוחה לפיתרונות בצורה של התקני הגנת מעגלים מורשים לכלי-רכב, משנקי שיכוך EMI תואמי AEC-Q200, מחברי RJ45 Ethernet מסוככים במלואם התואמים עם SAE/USCAR2-6, וממירי הספק מורשי IP67. אלה יעזרו למתכנני רכבי HEV ו- EV להתמודד עם אתגרי התכנון הקיימים והמתעוררים ככל שתכנים אוטונומיים מתפתחים.

קריאה מומלצת

1. רכבי המחר יהיו עם אפילו עוד יותר טכנולוגיה