Analysing a Solution to Galvanically Isolate Low Impedance Channels Controlling an Ignition System
Williamsson, Jonas (2023)
Williamsson, Jonas
2023
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202302232760
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202302232760
Tiivistelmä
Before this thesis work, an isolated barrier solution had been developed to galvanically isolate the control signals for an ignition module on a combustion engine. It worked satisfactorily in a test environment but caused severe operational issues when installed on an engine. The objective of this thesis was to make a root cause analysis of the nonfunctioning solution and set new design criteria for the next design iteration. The work included building a test bench setup, electrical measurements, electrical theory, and building a proof-of-concept module. Also, alternative off-the-shelf solutions were ordered and tested.
Digital inputs in industrialized systems are typically high-impedance inputs requiring the transmitter to pull up the signal with a relatively low current, but in this paper, the receiving module is equipped with low-impedance input requiring a relatively high pull-down current. The low-impedance requirements complicate the design and tend to increase crosstalk disturbance from the signal edges.
The control of an ignition system of a medium-speed engine is time critical and counted in microseconds. The work revealed that the chosen design of the isolated barrier would have been more suitable for digital communication applications operating in nanoseconds rather than the needed microseconds. High pull-down currents in combination with the short digital signal edges lead to crosstalk between the digital signals.
The work ended with real engine tests of the proof-of-concept module and new design criteria were handed over to the development team for the industrialization of the equipment. En elektronisk modul hade före detta slutarbete utvecklats för att kunna eliminera ett problem där ett jordfel på motorns kontrollsystem i värsta fall brände vissa komponenter i motorns tändmoduler. Den galvaniska avskiljaren var konstruerades att avskilja styrsignalerna mellan förbränningsmotorns kontrollsystem och tändmodulens ingångar. Trots lyckade test i laboratoriemiljö så fungerade inte konceptet i kundens anläggning.
Tändsystemet i en förbränningsmotor är tidskritiskt för att förbränningen skall starta vid rätt vevaxelgrader och tändmodulen kontrolleras av styrsignaler vars stig och falltider räknas i mikrosekunder. Det visade sig under slutarbetets gång att den galvaniska avskiljaren replikerade ingångssignalen med falltider 100 gånger snabbare än ingångssignalen. I kombination med låg ingångsimpedans ledde detta till överhörning mellan kanalerna, vilket i sin tur ledde till att tändmodulen genererade gnistor vid felaktiga vevaxelgrader.
Målet med arbetet var att identifiera problemet och utveckla en fungerande teknisk lösning genom att utförligt studera fenomenet i både laboratoriemiljö och genom motortest. Arbetet inkluderade tester av flera lösningar; modifierade ursprungsmoduler, optorelälösningar samt två kommersiella produkter. De kommersiella produkterna uppfyllde inte kraven och den optiska lösningen hade utmaningar med vibrationstålighet, så slutligen fortsatte projektet med utveckling av ursprungsmodulen.
Arbetet begränsades till att hitta en lösning och demonstrera den genom test på en riktig förbränningsmotor samt att föra fram nya designkriterier till utvecklingsavdelningen.
Digital inputs in industrialized systems are typically high-impedance inputs requiring the transmitter to pull up the signal with a relatively low current, but in this paper, the receiving module is equipped with low-impedance input requiring a relatively high pull-down current. The low-impedance requirements complicate the design and tend to increase crosstalk disturbance from the signal edges.
The control of an ignition system of a medium-speed engine is time critical and counted in microseconds. The work revealed that the chosen design of the isolated barrier would have been more suitable for digital communication applications operating in nanoseconds rather than the needed microseconds. High pull-down currents in combination with the short digital signal edges lead to crosstalk between the digital signals.
The work ended with real engine tests of the proof-of-concept module and new design criteria were handed over to the development team for the industrialization of the equipment.
Tändsystemet i en förbränningsmotor är tidskritiskt för att förbränningen skall starta vid rätt vevaxelgrader och tändmodulen kontrolleras av styrsignaler vars stig och falltider räknas i mikrosekunder. Det visade sig under slutarbetets gång att den galvaniska avskiljaren replikerade ingångssignalen med falltider 100 gånger snabbare än ingångssignalen. I kombination med låg ingångsimpedans ledde detta till överhörning mellan kanalerna, vilket i sin tur ledde till att tändmodulen genererade gnistor vid felaktiga vevaxelgrader.
Målet med arbetet var att identifiera problemet och utveckla en fungerande teknisk lösning genom att utförligt studera fenomenet i både laboratoriemiljö och genom motortest. Arbetet inkluderade tester av flera lösningar; modifierade ursprungsmoduler, optorelälösningar samt två kommersiella produkter. De kommersiella produkterna uppfyllde inte kraven och den optiska lösningen hade utmaningar med vibrationstålighet, så slutligen fortsatte projektet med utveckling av ursprungsmodulen.
Arbetet begränsades till att hitta en lösning och demonstrera den genom test på en riktig förbränningsmotor samt att föra fram nya designkriterier till utvecklingsavdelningen.