RUTRONIK GmbH
Avtor: Martin Kurz, Field Application Engineer ABU pri podjetju Rutronik
Več moči na manjšem prostoru.
Majhni elektromotorji so ključni gradniki sodobnih arhitektur vozil – zlasti na področju udobja in termičnega upravljanja. Nove krmilne rešitve prinašajo prednosti glede prostora, varnosti in elektromagnetne združljivosti (EMC), hkrati pa podpirajo vse večjo funkcionalno kompleksnost.
V sodobnih vozilih majhni električni pogoni opravljajo širok spekter nalog – od hlajenja baterije in nastavljanja sedežev do krmiljenja loput in ventilatorjev (slika 1). Število pogonov se nenehno povečuje, zlasti v elektrificiranih arhitekturah, kjer je prostor pogosto omejen. Brezkrtačni enosmerni motorji (BLDC) postajajo vse bolj priljubljeni, saj zavzamejo manj prostora, delujejo učinkoviteje in zahtevajo manj vzdrževanja kot klasični DC motorji.
Hkrati se zaostrujejo zahteve glede funkcionalne varnosti, kibernetske varnosti in elektromagnetne združljivosti (EMC). Poleg tega narašča potreba po kompaktnih, robustnih in visoko integriranih krmilnih rešitvah, ki so ekonomsko upravičene tako v razvojni fazi kot tudi pri serijski proizvodnji.
Prav tu pridejo do izraza najnovejše nadgradnje serije Infineon MOTIX MCU, predvsem gonilnik B6 mostiča (TLE995x) in gonilnik H-mostiča (TLE994x). Namenjeni so uporabi v številnih aplikacijah z majhnimi in srednje velikimi motorji v vozilih, kjer so kompaktna zasnova, stroškovna učinkovitost in funkcionalna varnost ključnega pomena.
Funkcionalna integracija za decentralizirano krmiljenje
Posebej pomembno področje uporabe predstavlja termično upravljanje električnih in hibridnih vozil. Za uravnavanje temperature baterije, močnostne elektronike in potniške kabine je potrebnih več manjših črpalk in ventilatorjev.
Ti sistemi so običajno nameščeni v prostorsko omejenih območjih, pogosto v bližini virov toplote ali v vlažnih okoljih. Zato zahtevajo kompaktne, robustne in zanesljive krmilne enote.
Serija TLE995x predstavlja idealno platformo za te zahteve. Temelji na 32-bitnem jedru Arm Cortex-M23 (40 MHz, 0,98 DMIPS/MHz) s 72 kB Flash in 6 kB RAM pomnilnika. Poleg gonilnika motorja vključuje tudi napajalni sklop in komunikacijski vmesnik LIN v ohišju TSDSO-32 z dobrimi toplotnimi lastnostmi in tlorisom le 6 mm × 9 mm (slika 2).
Funkcije udobja, kot so električno nastavljivi sedeži, električni pomik stekel, strešna okna in pokrovi tovornega prostora, zahtevajo stroškovno optimizirane rešitve z vgrajenimi zaščitnimi in diagnostičnimi funkcijami. Le tako je mogoče zagotoviti zaznavanje blokad, omejevanje toka in sporočanje napak prek vodila LIN.
Popolnoma integriran LIN-vmesnik in diagnostične funkcije olajšajo integracijo sistema v obstoječe arhitekture vozil. Kljub manjši procesorski zmogljivosti v primerjavi s predhodnikom (TLE987x) TLE995x izpolnjuje visoke zahteve sodobnih krmilnikov motorjev. Pri tem pomagajo učinkoviti algoritmi, kot je vektorsko krmiljenje motorja (Field-Oriented Control – FoC) v dvocikličnem načinu delovanja, ki jih zagotavljajo programski partnerji.
Poudarek na varnostnih funkcijah
Glavna inovacija je usmerjena v integrirane varnostne in zaščitne mehanizme. Arhitektura je bila razvita v skladu s standardom ISO 26262 in izpolnjuje zahteve do ravni ASIL B.
Jedro ARM podpira varno izvajanje operacij, omogoča implementacijo varne komunikacije ter vključuje varno izklopno pot za izhodno stopnjo.
Na področju kibernetske varnosti je uporabljena tehnologija ARM TrustZone. Ta zagotavlja, da se občutljivi podatki in procesi, ključni za varnost sistema, izvajajo v zaščitenem območju, ki je zaščiteno pred manipulacijami in nepooblaščenim dostopom.
Dodatne lastnosti:
Periferija za krmiljenje motorja: Enota CCU7 Advanced Timer Unit podpira simetrično in asimetrično generiranje PWM signalov ter je neposredno povezana z gonilnikom mostiča. Gonilnik vključuje tristopenjski sekvencer in zelo hiter sekvencer za časovno krmiljenje VDS prehodov. Tako je mogoče natančno nastavljati čase naraščanja in padanja signalov. Dvostopenjska črpalka naboja podpira 100-odstotni delovni cikel in omogoča vklop MOSFET-a za zaščito pred napačno polariteto.
Ojačevalnik za merjenje toka: Omogoča diferencialne meritve napetosti prek zunanjega šenta in je neposredno povezan z ADC. Merilno območje je nastavljivo, ojačevalnik pa zagotavlja visoko natančnost in minimalno temperaturno drsenje. Vključena je tudi zaščita pred prevelikim tokom.
Diagnostika: Krmilnik ponuja obsežne diagnostične in zaščitne funkcije, integrirane v sistem MOTIX 32-bit Motor Control SoC. Med njimi so nastavljivo zaznavanje in izklop ob prenapetosti ali podnapetosti, zaznavanje in izklop ob prevelikem toku zunanjih MOSFET-ov ter zaznavanje odprtega bremena v izklopljenem stanju.
12-bitni SAR ADC: Pretvornik omogoča napredne funkcije naknadne obdelave, kot so poprečenje in pragovne vrednosti. Poleg tega lahko samostojno zazna povratno elektromotorno napetost (back EMF) in jo interno posreduje sistemu.
System-in-Package prinaša prednosti razvijalcem
Za aplikacije z višjimi zahtevami glede moči je na voljo rešitev TLE9954QSW40-33 v izvedbi System-in-Package (SiP). Združuje krmilnik motorja TLE9954 in šest MOSFET-ov OptiMOS 7 v enem samem ohišju ter predstavlja prvo popolnoma integrirano 12-voltno avtomobilsko rešitev za motorne aplikacije do približno 150 W.
Neposredna integracija močnostnih polprevodnikov z gonilnikom mostiča prinaša več tehničnih prednosti:
manjše parazitske induktivnosti med gonilnikom in MOSFET-i zmanjšujejo preklopne izgube in mrtve čase,
manjše EMC emisije zaradi krajših povezav,
manj zunanjih komponent, zlasti za proženje vrat MOSFET-ov in zaščitna vezja,
kompaktnejša zasnova, ki omogoča uporabo manjših krmilnih enot.
Ohišje meri le 9,5 mm × 9,5 mm in je namenjeno aplikacijam do približno 150 W, odvisno od toplotnih pogojev sistema. Pri tako visoki stopnji integracije ima toplotna povezava SiP-modula ključno vlogo pri celotni zmogljivosti sistema.
Programska oprema in razvojna podpora
Za serijo TLE995x je na voljo obsežen programski paket, ki vključuje komponente skladne z ASPICE in MISRA, gonilnike perifernih enot, vzorčne aplikacije in referenčne projekte. Dostop je omogočen prek platforme Infineon Developer Center.
Za integracijo v aplikacije so na voljo tudi komercialne programske rešitve partnerskih podjetij. MOTEON in EONAS ponujata algoritme FoC ter dodatno programsko opremo za krmiljenje motorjev. Podjetje ihr GmbH zagotavlja LIN-protokolni sklad, optimiziran za TLE995x.
Ta podpora bistveno poenostavi razvoj robustnih krmilnih enot, ki izpolnjujejo vse relevantne standarde.
Različica SiP TLE9954QSW40-33 je trenutno v fazi vzorčenja, pri čemer prvi vzorci že potekajo pri kupcih. Serijska proizvodnja je predvidena za sredino leta 2026. Različici TLE995x in TLE994x sta v serijski proizvodnji že od junija. Za ocenjevanje so na voljo ustrezne smernice za načrtovanje in referenčne tiskaninske plošče.
V prihodnje bo mogoče pričakovati nadaljnje zaostrovanje zahtev glede funkcionalne varnosti, energetske učinkovitosti in povezljivosti. Zato Infineon že načrtuje razširitev portfelja na industrijske aplikacije (IFX995x, IFX994x).
Rešitve so namenjene razvijalcem, ki iščejo prostorsko in stroškovno učinkovite krmilnike majhnih pogonov, ne da bi pri tem sklepali kompromise glede varnosti, diagnostike ali elektromagnetne združljivosti.
