Der Intelligente Leistungsschalter: Wie der Infineon BTS7030 Relais und Sicherungen im Auto ersetzt

Der Intelligente Leistungsschalter: Wie der Infineon BTS7030 Relais und Sicherungen im Auto ersetzt

Quelle:

• BTS7030-2EPA PROFET™+2 12V Datenblatt
• infineon-bts7030-2epa-datasheet-en.pdf
• infineon-high-side-smart-power-switches-profet2-12v-family-productpresentation-en.pdf

Episode Transcript

(00:00):
Hallo und Willkommen zu unserer heutigen Erkundung.
Wir haben hier heute was Kleinesauf dem Tisch, sieht fast
unscheinbar aus, aber leistet inmodernen Autos echte schwerste
Arbeit. Es geht um den BTS 7030 - 2 EPA
von Infineon, ein leistungsschalter du hast uns ja

(00:21):
das Datenblatt dazu geschickt, ziemlich detailliert und auch
Folien aus seiner Produktpräsentation, das hilft
so ein bisschen beim einordnen. Ja, unsere Mission für euch
heute. Wir wollen zusammen rausfinden,
was diesen Chip hier aus der Profit plus 212 V Familie was
den so besonders macht, warum sagt man er sei intelligent und

(00:42):
wieso kann er so alte klobige Kollegen wie Relais und
Sicherungen ersetzen? Lass uns das mal anschauen.
Genau im Kern geht es darum zu verstehen, wie solche ja 9
Halbleiter die Art und Weise ändern, wie wir Strom im Auto
schalten und überwachen. Die Stichworte sind eigentlich
kleiner, effizienter und ja, einfach viel cleverer als die

(01:06):
alten Methoden. Okay fangen wir mal ganz vorne
an. Die Quellen nennen das Bauteil
einen Smart High Side Power Switch.
Was heißt das für dich, also high Side Switch?
Sitzt zwischen Batterie plus unddem Verbraucher, oder?
Korrekt, der schaltet sozusagen die plus Leitung zu einer Last.
Das kann ne Lampe sein, ein kleiner Motor, vielleicht ne LED

(01:29):
Einheit alt alles was im Auto Strom braucht und das Smart, das
ist der eigentliche Punkt. Ah ja er ist nicht nur ein
simpler an Ausschalter, nein er denkt mit er schützt sich
selbst, schützt die angeschlossene Last vor allen
möglichen Problemen und ganz wichtig.
Er kann dem Steuergerät sagen, was los ist, gibt Feedback.

(01:51):
Und das ist wahrscheinlich der Grund, warum er Relais und
Sicherungen ablösen kann. Stimmt s, die sind ja eher na
ja, dumm schalten oder brennen durch.
Exakt ein Relais, das ist ja Mechanik, das klickt, das
verschleißt, das braucht Platz, ne Sicherung ist ne
Sollbruchstelle, muss man wechseln.
Dieser Chip hier, der packt das Schalten, den Schutz und die

(02:12):
Diagnose in ein winziges Gehäuse.
Wie klein ist das? Wir reden hier vom PGTSDSO 14.
Das ist kleiner als dein Fingernagel, wow, und das spart
natürlich enorm Platz auf der Leiterplatte und klar macht das
System zuverlässiger, keine mechanischen Teile mehr und der
Schutz ist viel feiner abgestimmt.

(02:32):
Welche Arten von Verbrauchern kann der denn jetzt schalten?
In den Quellen steht was von Resistiven, induktiven und
kapazitiven Lasten, klingt ja fast wie ein Alleskönner.
Ja, ist ziemlich vielseitig. Resistiv das sind so die
klassischen Glühlampen. Im Datenblatt steht als
Beispiel, dass er locker 22 WattLampen treiben kann, das sind so

(02:52):
4,5 Ampere, dauerlast oder auch Heizelemente.
OK, induktiv sind Lasten mit Spulen, also kleine Motoren,
Magnetventile und Kapazitiv, dassind oft die Eingänge von
anderen Steuergeräten, die brauchen beim Einschalten so
einen kurzen heftigen Stromstoß.Dass er mit all dem klarkommt,

(03:15):
das macht ihn für Entwickler halt super flexibel.
Gut, dann lass uns dieser Smartymal genauer unter die Lupe
nehmen. Ein wichtiger Teil sind ja die
Schutzfunktion, die Liste im Datenblatt ist echt lang, was
fängt der denn alles ab damit nichts kaputt geht, ist ja quasi
der eingebaute Bodyguard. Guter Vergleich.
Ja, der hat ein ganzes Arsenal. Also erstens Überhitzung.

(03:38):
Wenn der Chip zu heiß wird die Grenze liegt da bei sehr hohen
175 Grad Celsius intern, dann schaltet er ab.
Und was ich interessant finde, er reagiert auch wenn die
Temperatur zu schnell ansteigt. Das ist eine dynamische Sache um
Schäden früh zu verhindern und er schaltet erst wieder ein,
wenn er sich ausreichend abgekühlt hat, hat also eine

(04:00):
Hysterese. Das schützt also den Chip
selbst. Aber was ist, wenn die Last,
also der Verbraucher, verrückt spielt?
Kurzschluss zum Beispiel. Ja, dafür gibt es den Überlast
und Kurzschlussschutz. Wenn der Strom über einen
bestimmten Grenzwert geht, machtder Kanal dicht und hier wird es
eben smart. Dieser Grenzwert ist nicht
starr, normalerweise liegt der ziemlich hoch, so um die 60

(04:23):
Ampere, damit der nicht gleich auslöst, wenn man zum Beispiel
eine Lampe einschaltet, die zieht ja kurz mehr Strom.
Stimmt der Einschaltstrom? Genau.
Aber, und das ist das clevere, der Chip merkt, wenn die
Bedingungen kritisch werden, also bei sehr hoher
Bordspannung, sagen wir mal über22 Volt oder bei Starthilfe, da

(04:43):
senkt er die Abschaltschwelle automatisch ab auf etwa 35
Ampere. Er passt sich also der Situation
an, viel, viel intelligenter alseine simple Sicherung.
Verstehe Temperatur, Strom. Was ist mit der Spannung zu
wenig oder zu viel? Auch dran gedacht, fällt die
Bordspannung zu tief, so unter etwa 2,3 Volt, schaltet der

(05:07):
Ausgang ab. Das verhindert unkontrolliertes
Verhalten, wenn der Strom braun wird und er schaltet erst wieder
sicher ein, wenn die Spannung über einem Schwellwert von circa
3 Volt liegt und das mit einer kleinen Verzögerung, damit er
bei kurzen Einbrüchen nicht so nervös hin und her schaltet.
Und andersrum. Überspannung.

(05:28):
Ja, bei Überspannung, die zum Beispiel beim Abschalten eines
Motors entstehen kann. Da kann der Chip die Spannung
auf einen sicheren Wert begrenzen, so um die 38 Volt,
das schützt ihn selbst. Das Datenblatt empfiehlt da aber
oft noch externe Bauteile, so spezielle Dioden für die ganz
harten Fälle. Eine Funktion fand ich besonders

(05:48):
spannend, den Verpolungsschutz. Normalerweise braucht man daher
extra Dioden, die dann im Fehlerfall richtig heiß werden
können, oder? Stimmt genau.
Und hier hat sich Infineon was Besonderes einfallen lassen.
Reverse on nennen die das bei Verpolung, also wenn jemand plus
und minus vertauscht beim Anschließen der Batterie
schaltet der Chip seinen internen Transistor aktiv ein.

(06:12):
Ein, das klingt doch falsch. Klingt paradox?
Ja, aber der Trick ist, dieser Transistor hat im
eingeschalteten Zustand einen extrem niedrigen Widerstand.
Im Datenblatt steht, was von rund 14,5 Millionen.
OK, das heißt bei Verpolung fließt zwar Strom, aber es

(06:33):
entsteht kaum Verlustleistung imChip, er wird also kaum warm.
Die Präsentation dazu hebt hervor, dass das über 60%
weniger Verlustleistung sein kann als bei Wettbewerbern mit
den klassischen Schutzdioden, das spart Energie und macht ihn
im Fehlerfall viel robuster. Wahnsinn.
Jetzt wird es aber echt faszinierend.

(06:54):
Die Quellen erwähnen auch eine Intelligent restart Control oder
retrie Strategy. Das klingt, als würde der Chip
einem Fehler nicht sofort die Flinte ins Korn werfen.
Genau das ist der Clou. Stell dir vor, du hast einen
Kurzschluss in der Leitung zur Heckleuchte, vielleicht nur ein
Wackelkontakt, der nur ganz kurzauftritt, eine normale
Sicherung, die wäre durch Feierabend.

(07:15):
Ja, und dann? Werkstatt richtig.
Dieser Chip hier, der schaltet zwar auch ab, klar, aber wenn
das Steuergerät den Kanal weiterhin eingeschaltet haben
will, dann versucht der Chip es nach kurzer Zeit einfach noch
mal automatisch. Automatisch, ohne dass das
Hauptsteuergerät was machen muss.
Ja, aber nur innerhalb gewisser Grenzen.
Er macht erst mal so n paar schnelle Versuche, vielleicht 5

(07:37):
Stück ist der Fehler dann immer noch da, nimmt er sich ne kleine
Auszeit, so 70 Millisekunden vielleicht und versucht es dann
noch mal, aber vorsichtiger. Das Ganze wiederholt er dann ein
paar Mal in Zyklen. Erst wenn der Fehler nach all
diesen automatischen Versuchen immer noch da ist, dann sagt der
Chip, OK, das ist jetzt was Ernstes, was dauerhaftes und

(07:59):
schaltet den Kanal endgültig ab.Das nennt man dann ledge off.
Ah OK, das heißt, er kann quasi unterscheiden, ob das nur ein
kurzer Schluckauf war oder ein echtes, dauerhaftes Problem.
Genau. Und das ist super praktisch für
euch. Temporäre Störungen, die heilen
sich quasi von selbst. Du als Fahrer merkst vielleicht
gar nichts oder musst nicht gleich in die Werkstatt, nur bei

(08:21):
einem permanenten Fehler wird der Kanal sicher abgeschaltet,
um eben Schäden am Kabelbaum oder am Chip selbst zu
verhindern, dann muss das Steuergerät den Kanal bewusst
wieder freigeben, also zurücksetzen, wenn der Fehler
behoben wurde. Das schont die Hardware und
erhöht den Komfort klar. Absolut.
Okay die Schutzfunktionen sind ja schon mal beeindruckend, aber

(08:44):
smart heißt ja auch Diagnose. Wie erfährt denn das
Steuergerät, was der Chip geradeso treibt oder welche Fehler er
vielleicht erkannt hat? Dafür gibt es einen speziellen
Pin, nennt sich Is oder Sense pin.
Über diesen PIN schickt der Chipseine Infos raus an den
Mikrocontroller im Steuergerät, was er da genau sendet, das
hängt davon ab, ist der Kanal anoder aus, liegt ein Fehler vor,

(09:08):
ist die Diagnose überhaupt gerade aktiv der.
Das kann das Steuergerät nämlichüber 2 weitere Pins dn und dsel
steuern. Okay und was braucht man dann
noch? Man braucht eigentlich nur noch
einen externen Widerstand, einenPräzisionswiderstand, um das
Signal für den Mikrocontroller lesbar zu machen.
Der misst dann die Spannung überdiesen Widerstand.

(09:30):
Und was kann das Steuergerät da auslesen?
Ist das nur so Fehler? Ja nein.
Nee, nee, viel mehr. Im Normalbetrieb, also wenn
alles OK ist und der Kanal eingeschaltet ist, liefert
dieser IS PIN einen kleinen Strom und der ist exakt
proportional zum Laststrom, alsodem Strom, der wirklich durch
die Lampe oder den Motor fließt.Proportional.

(09:52):
Ja, das Verhältnis, das heißt imDatenblatt Kilo IS.
Das liegt so bei etwa 2700 zu 1.Heißt, der Messstrom ist viel
kleiner als der Laststrom, aber eben direkt proportional.
Damit kann das Steuergerät sehr genau messen, wieviel Strom der
Verbraucher gerade zieht. Und warum ist diese genaue

(10:15):
Strommessung so wichtig? Was bringt das?
Das eröffnet eben viele Möglichkeiten.
Erstens, das Steuergerät kann damit erkennen, ob die Last
überhaupt noch da ist. Auch wenn sie eingeschaltet ist.
Das Stichwort ist open load in on.
Also ob die Glühlampe durchgebrannt ist zum.
Beispiel ja, der Strom fällt auf0.
Das Steuergerät merkt das sofort, weil der Sense Strom

(10:38):
auch auf 0 fällt. Die Präsentation betont auch,
dass diese Messung im Vergleich zu früheren Chip Generationen
deutlich genauer geworden ist. Gerade bei kleinen Strömen.
Die Genauigkeit ist teilweise wohl so gut.
Die Rede ist von plus -4% mit Kalibrierung, dass man eventuell
sogar auf eine teure Kalibrierung in der Produktion
verzichten könnte. Das spart natürlich Kosten.

(11:02):
Und was passiert am Sense pin, wenn jetzt doch mal ein
schutzfall Eintritt über Last oder so?
Dann ändert sich das Signal komplett.
Statt diesem proportionalen Strom gibt der Chip dann einen
festen Fehlerstrom aus. Im Datenblatt steht IS false,
der liegt deutlich höher, so um 5,5 Milliampere, das ist ein
klares unmissverständliches Signal an Steuergerät.

(11:24):
Achtung Kanal X hat ein Problem,Überhitzung oder Überlast.
Verstehe. Und selbst wenn der Chip nach
einem Fehler dank dieser retri Strategie wieder erfolgreich
einschaltet, sendet er diesen Fehlerstrom trotzdem noch für
einen ganz kurzen Moment. Damit das Steuergerät
mitbekommt. Aha, da war kurz was los.
Kann der denn auch Fehler erkennen, wenn der Ausgang

(11:44):
eigentlich aus ist? Also zum Beispiel, ob das Kabel
zur Lampe durchgesteuert ist undirgendwo an Masse kommt oder ob
die Lampe fehlt? Ja, auch das geht.
Das ist die sogenannte Open Loadin Off Erkennung oder auch
Kurzschluss zur Batterieerkennung.
Wenn der Kanal aus ist, aber dieDiagnosefunktion aktiviert wird,

(12:06):
kann der Chip prüfen, ob die Verbindung zu Last unterbrochen
ist. Also Open Load ergibt dann einen
speziellen kleineren Strom am ISpin aus den ISOLOF.
Der liegt so bei 2,5 Milliampere.
Und Kurzschluss. Kurzschluss zur Batterie würde
man indirekt sehen, weil dann die Spannung am Ausgang hoch
wäre, auch wenn er aus ist. Für die Open Load Erkennung

(12:29):
braucht man aber meistens noch ein paar externe Widerstände in
der Schaltung, die im ausgeschalteten Zustand für
definierte Spannungspegel am Ausgang sorgen.
Puh, okay, das ist wirklich ne Menge Intelligenz in so einem
kleinen Ding. Lass uns doch noch kurz auf n
paar technische Eckdaten schauen, was sind so die
Highlights, die dir im Datenblatt aufgefallen sind?

(12:50):
Ja, n paar Sachen sind schon bemerkenswert.
Also der weite Betriebsspannungsbereich ist
wichtig fürs Auto. Der funktioniert ja nicht nur
bei der normalen 12 Volt, sondern auch bei
Spannungseinbrüchen beim Startenrunter bis etwa 3 Volt und er
verträgt auch mal bis zu 28 Volt.
Das ist schon robust. Okay.
Dann der extrem niedrige Ruhestrom im Schlafmodus.

(13:11):
Da steht unter 0,6 mikroampere bei 85 Grad Celsius.
Mikroampere. Ja, Mikro, das ist phänomenal
wenig, das schont die Batterie, wenn das Auto mal wochenlang
steht, wirklich wichtig. Und im Betrieb?
Wie effizient ist der da? Stichwort Verlustleistung.
Da ist der Innenwiderstand im eingeschaltenen Zustand

(13:31):
entscheidend. Der RDS ON der liegt selbst bei
hohen Temperaturen garantiert unter 25 milli Ohm.
Milli Ohm ist er fast nichts. Eben.
Das heißt, der Chip selbst wird kaum warm, wenn da Strom
durchfließt. Er erzeugt wenig Verlustwärme
und das spart Energie und macht das Wärmemanagement einfacher.

(13:52):
Und schließlich noch die Stromtragfähigkeit jeder der
beiden Kanäle kann dauerhaft so um die 4,5 Ampere liefern, auch
bei hohen Umgebungstemperaturen,wie sie ja im Motorraum
herrschen. Nicht schlecht für so ein
kleines Teil. Die Präsentation hat ja auch
gezeigt, dieser Chip ist Teil einer ganzen Familie, der Profit
plus 12 V. Familie, Was heißt das für die

(14:13):
Entwickler? Ist das gut?
Ja, das ist ein großer Vorteil. Gibt ihnen Flexibilität und
Skalierbarkeit. Es gibt diese Chips nämlich mit
einem 2 oder 4 unabhängigen Schaltkanälen pro Gehäuse.
Ah OK. Und es gibt sie mit
unterschiedlichen Innenwiderständen, also für mehr
oder weniger Strom und ganz wichtig, mit leicht
unterschiedlichen Schutz und Diagnosestrategien.

(14:35):
Unser BTS 7030 2 EPA hier ist der Typ EPA, also mit dieser
automatischen Restart Logik. Genau die mit den
Wiederholversuchen. Genau.
Es gibt aber auch EPP Typen, diebleiben nach einem Fehler
abgeschaltet, also ledged. Bis sie aktiv zurückgesetzt
werden oder spezielle Typen für kapazitive Lasten oder für

(14:57):
besonders hohe Temperaturen und dieser hier.
Unser Chip hat 2 Kanäle und einen nominalen Widerstand von
30 Milliohm typisch bei Raumtemperatur eher so um die
13,5 Milliohm, der passt also gut für viele
Standardanwendungen im Auto und das Beste, viele dieser
Varianten kommen im gleichen Gehäuse und haben die gleiche
Pin Belegung. Das heißt, man kann leicht

(15:17):
wechseln. Richtig.
Ein Entwickler kann relativ leicht zwischen den Varianten
wechseln, ohne das ganze Platinenlayout neu machen zu
müssen. Das ist super für die
Entwicklung. OK, wir haben jetzt viel über
den Chip selbst geredet. Wie wird er denn jetzt ganz
konkret in einer Schaltung eingesetzt?
Das Applikationsdiagramm im Datenblatt, das sah ja doch nach
einiger externer Beschaltung aus.

(15:40):
Ja, ganz ohne externe Bauteile geht es meistens nicht.
Die sind aber wichtig für die Robustheit und das Zusammenspiel
mit dem Mikrocontroller. Also klar, der Chip Lauft, Strum
VS und Masse GND die Steuersignale vom
Mikrocontroller, also die Eingänge zum Schalten und für
die Diagnose, die sollten über kleine Widerstände laufen, das
schützt den Controller. OK, schutzwiderstände und der

(16:03):
Diagnoseausgang der IS pin. Der braucht wie gesagt diesen
Präzisionswiderstand, den RS Sense.
Gegenmasse damit der Mikrocontroller den Strom messen
kann, indem er die Spannung darüber misst.
Oft kommt da noch ein kleiner Filter dazu, also ein Widerstand
und ein Kondensator, um Störungen auszublenden.
Und was ist mit den Ausgängen zur Last hin und der

(16:24):
Stromversorgung vom Chip selbst?An den Ausgängen hängt natürlich
die Last. Manchmal braucht man da noch
Widerstände, Pull Downs oder schaltbare Pull UPS für diese
Open Load Diagnose im Off Zustand.
Kleine Kondensatoren direkt am Chip helfen gegen
elektrostatische Entladungen, also ESD, und verbessern auch
die elektromagnetische Verträglichkeit.

(16:47):
EMV. Und die Versorgung?
Ja, die Hauptversorgungsleitung wird meist auch mit
Kondensatoren gefiltert und manchmal mit so einer
Überspannungsschutzdiode versehen, einer TVS Diode.
Diese ganzen externen Komponenten sorgen halt dafür,
dass der Chip auch unter den echt rauen Bedingungen im Auto
zuverlässig funktioniert. Also bei spannungsschwankungen,

(17:09):
Störimpulsen oder wenn du mal statisch aufgeladen bist und das
Gehäuse anfasst. Okay fassen wir das mal zusammen
für unsere Zuhörer der BTS 730 2EPA ist also viel, viel mehr als
nur ein simpler Schalter. Er ist eher so ein kleines
intelligentes Schaltzentrum fürsAuto.
Kann man so sagen, ja. Effizient, weil er kaum Energie

(17:30):
verschwendet. Dank dieser cleveren Tricks wie
Reverse On und dem niedrigen Innenwiderstand richtig robust,
weil er. Sich selbst und die Last vor
fast allem schützt, was schiefgehen kann und sogar
versucht, Probleme selbst zu beheben.
Mit dieser retrie Strategie genau und intelligent, weil er
genau messen kann was passiert und dem Steuergerät detailliert

(17:51):
Rückmeldung gibt. Exakt auf den Punkt gebracht.
Er ist wirklich n Paradebeispielfür diesen Wandel in der
Fahrzeugelektronik, weg von den alten mechanischen oder
einfachen elektrischen Bauteilenhinzu diesen integrierten
Halbleiterlösungen. Die schalten nicht nur die.
Denken aktiv mit und überwachen das System.
Und das spart dann Platz, Gewicht, Energie.

(18:13):
Und ermöglicht Diagnosefunktionen, von denen
man früher nur träumen konnte. Was?
Sollten wir also alle aus dieserErkundung mitnehmen, dass diese
oft übersehenen, unscheinbaren Chips die stillen Helden sind,
die viele moderne Funktionen im Auto von der adaptiven
Beleuchtung bis zu Fahrerassistenzsystemen und auch
die allgemeine Zuverlässigkeit erst möglich machen?

(18:34):
Absolut. Und vielleicht noch ein Gedanke
zum Mitnehmen für euch. Wenn schon ein einzelner
Schalter so viel Intelligenz hatund so detailliert melden kann,
was mit ihm oder seiner Last losist.
Also nicht nur geht oder geht nicht, sondern kurzschlusstrat
dreimal auf. Jetzt ist er permanent.
Genau wie verändert das denn in Zukunft die Wartung und

(18:57):
Reparatur von Fahrzeugen? Wird die Fehlerdiagnose dadurch
viel einfacher und präziser? Oder vielleicht auch komplexer,
weil man viel tiefer in die Elektronik eintauchen muss.
Das ist ne spannende Frage. Ja, und die geht weit über
diesen einzelnen Chip hier hinaus.
Das betrifft ja die ganze Systemarchitektur im Auto.