Batterieverpolungstests für Elektronikmodule mit automatisierter Testmöglichkeit

Elektronische Systeme wie Steuergeräte (ECUs) müssen mehrere strenge Qualifikationstests bestehen, um für den Einsatz in Kraftfahrzeugen zugelassen zu werden. Zu diesen Tests gehört auch ein Verpolungstest, der in der ISO 16750-2 festgelegt ist. Gemäß der Spezifikation muss das Elektronikmodul eine negative Versorgungsspannung für eine bestimmte Zeit aushalten, ohne Schaden zu nehmen. Die R&S®NGU401 Source Measurement Unit (SMU) ist ideal für diese Aufgabe und bietet darüber hinaus Funktionalitäten für automatisierte Tests.

R&S®NGU401
R&S®NGU401
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Ihre Anforderung

In bestimmten Situationen ist ein wiederholtes Ab- und Anklemmen von Fahrzeugbatterien notwendig, z. B. im Rahmen von Wartungs- oder Reparaturarbeiten. Dabei besteht die Gefahr, dass die Pole der Batterie vertauscht werden, was zu Schäden an den angeschlossenen Komponenten und Schaltkreisen führen kann. Daher muss jede Elektronikschaltung im Rahmen der Qualifikationsprüfung einen Verpolungstest bestehen. Ein Elektronikmodul, wie z. B. ein Beleuchtungs- oder anderes Steuergerät, muss mindestens 60 s lang an eine negative Spannung angeschlossen werden. Nach dem Test darf das Modul keine Schäden durch die angelegte Sperrspannung aufweisen. Für den Test ist eine Stromversorgung erforderlich, die in den Quadranten I und III arbeiten kann, um das Elektronikmodul mit Leistung zu versorgen und eine negative Spannung und einen negativen Strom zu erzeugen. Darüber hinaus werden geeignete Pass/Fail-Kriterien zur Validierung des Elektronikmoduls benötigt.

Ein guter Ansatz ist die präzise Messung der Versorgungsspannung und des Stroms, um zu ermitteln, ob die Elektronikschaltung nach dem Entfernen der negativen Spannung noch unbeschädigt ist. Die hochgenaue Messung von Spannung und Strom vor, während und nach dem Test ist eine sehr einfache Methode, um eine Fehlfunktion oder Beschädigung einer Elektronikschaltung festzustellen. Ein aufwändiger Funktionstest des Elektronikmoduls ist nicht erforderlich. Darüber hinaus sollte die Anwendung in der Lage sein, automatisierte Tests durchzuführen, insbesondere wenn sie in Produktionsumgebungen eingesetzt wird.

Spannungsverlauf bei Verpolung gemäß ISO 16750-2
Spannungsverlauf bei Verpolung gemäß ISO 16750-2
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Lösung von Rohde & Schwarz

Die R&S®NGU401 Source Measure Unit ist ideal für die Durchführung normgerechter Verpolungstests, da sie in den Quadranten I und III betrieben werden kann. Sie kann das Elektronikmodul im Normalbetrieb mit Spannung versorgen, für mindestens 60 s eine negative Spannung und einen negativen Strom erzeugen und in den Normalbetrieb zurückkehren, wenn wieder eine positive Spannung anzulegen ist. Die Testsequenz kann z. B. mit dem internen Arbiträrgenerator definiert oder extern programmiert und per Fernsteuerung realisiert werden.

Die gemessenen Spannungen und Ströme können zur Unterstützung einfacher Pass/Fail-Kriterien in einem externen Testskript verwendet werden. Die R&S®NGU401 bietet außerdem eine schnelle Logging-Funktion mit bis zu 500 ksample/s für die Spannungs- und Stromerfassung. Die hohe Abtastrate ermöglicht eine weitergehende, tiefgreifende Analyse. Die Spannung und der Strom können mit Hilfe externer Tools sehr detailliert in Zeitdiagrammen dargestellt werden. Das Gerät ist vollständig fernsteuerbar und ermöglicht so automatisierte Tests.

Verpolungstestaufbau mit Schutzschaltung basierend auf N-Kanal-MOSFET und Dioden-Controller
Verpolungstestaufbau mit Schutzschaltung basierend auf N-Kanal-MOSFET und Dioden-Controller
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Anwendung

Grundsätzlich sind Batterieverpolungstests der Prüfung von Halbleiterbauelementen auf ihr Sperrspannungsverhalten sehr ähnlich.

Gängige Implementierungen von Verpolungsschutzschaltungen

Eine Schutzschaltung für die Durchführung eines Batterieverpolungstest kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Sehr häufig wird entweder eine einfache Diode oder eine diskrete Lösung mit einem P-Kanal-MOSFET oder einem Dioden-Controller in Kombination mit einem N-Kanal-MOSFET verwendet.

Der Einsatz eines Dioden-Controllers mit einem N-Kanal-MOSFET erzeugt den geringsten Sperrstrom. Diese Lösung setzt jedoch voraus, dass Ströme von weniger als ein paar nA im Umkehrmodus gemessen werden können.

Fallstudie

Ein Verpolungstest mit Spannungs- und Strommessungen wurde vollautomatisch auf Grundlage eines Python-Skripts durchgeführt. Dank automatisierter Testmöglichkeiten ist die Anwendung nicht nur für den Entwicklungsprozess, sondern auch für den Einsatz in der Produktion geeignet. Zur Simulation eines Steuergeräts mit Schutzschaltung wurde eine Testplatine für eine Verpolungsschutzschaltung auf Basis eines Dioden-Controllers in Kombination mit einem belasteten Abwärtswandler eingesetzt.

Messung von Sperrspannung und -strom

  • Schließen Sie die R&S®NGU401 an den Prüfling an, wie links im Diagramm des Verpolungstestaufbaus gezeigt
  • Stellen Sie eine Fernverbindung her, z. B. über LAN oder USB
  • Stellen Sie einen geeigneten Stromwert für den Überstromschutz zum Schutz des Prüflings ein
  • Führen Sie das Python-Skript aus

Nachdem das Python-Skript ausgeführt wurde, öffnet sich ein Fenster mit der angelegten Spannungswellenform und dem gemessenen Strom. Es zeigt sich, dass der Strom während des Zeitraums, in dem die negative Spannung anliegt, ca. 3,6 µA beträgt. Dieser Wert entspricht dem zulässigen Sperrstrom für den MOSFET gemäß den Datenblattangaben. Außerdem liegt der Betriebsstrom nach Entfernen der negativen Spannung nahe bei dem Wert, der auch vor dem Anlegen der negativen Spannung gemessen wurde. Der Prüfling hat die Prüfung also bestanden.

Zusammenfassung

Die R&S®NGU401 Source Measure Unit (SMU) ist eine ideale Wahl für die Verifizierung von Anforderungen wie dem Batterieverpolungsschutz für Anwendungen im Automobilbereich. Die R&S®NGU401 unterstützt den Vier-Quadranten-Betrieb, ermöglicht hochgenaue Spannungs- und Strommessungen und bietet eine schnelle Logging-Funktion, sodass Benutzer ihre Produkte mit minimalem Aufwand testen können. Die R&S®NGU401 ist auch fernsteuerbar und ermöglicht so automatisierte Tests.

Spannungs- und Stromwellenformen im Zeitbereich (Python-Skript)
Spannungs- und Stromwellenformen im Zeitbereich (Python-Skript)
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Zusätzliche Dateien

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