Digi-Key Electronics
2019_277_06
Za izpolnitev strogih standardov za emisije in varčevanje z gorivom se proizvajalci avtomobilov vse pogosteje obračajo na elektronske komponente. Veliko prej mehaničnih operacij, kot je hidravlično krmiljenje servo krmilja, zamenjujejo električni motorji; druge funkcije so kombinirane, kar rojeva nove komponente, kot je integrirani zaganjalnik / alternator (ISA)
Novi elektronski moduli so cenovno ugodni: postavljajo dodatne zahteve tradicionalnemu 12 V napajalnemu sistemu, zlasti med vžigom, ko mora akumulatorski zaganjalnik vrteti motor, dokler se motor ne zažene. Močan tok v tem času zmanjša napetost akumulatorja na del običajne ravni. Nizka temperatura poslabša težavo, saj se poveča viskoznost olja in s tem obremenitev akumulatorja, kar še bolj zniža napetost.
Nedavna uvedba tehnologije za zaustavitev / zagon, ki samodejno izklopi motor, da zmanjša emisije in prihrani plin, ko vozilo stoji v prostem teku pri rdeči luči ali obtiči v prometu, nalogo nadzora napetosti akumulatorja še oteži.
Kompleksnost zasnove dopolnjujejo strogi operativni in funkcionalni standardi avtomobilskega modula, ki jih je treba izpolnjevati med zagonom, da se zagotovi varnost, boljša vozniška izkušnja ali oboje.
Strožji testi odražajo nove zahteve
Ko se število elektronskih sestavnih delov za avtomobile povečuje, agencije za standardizacijo, kot sta Mednarodna organizacija za standardizacijo (ISO) in Društvo avtomobilskih inženirjev (SAE), poostrujejo preizkuse usposobljenosti, ki se nanašajo na dogodek zagona. Slika 1 prikazuje tipični preskusni profil napetosti skozi čas, ki simulira zagon motorja. Sprva je napetost na VB, kar kaže napetost akumulatorja v mirovanju. Ko se simulirani motor začne vrteti, se obremenitev simulirane baterije poveča, zaradi česar se testna napetost spusti na nizko vrednost VT, kjer ostane čas t4, dokler se počasi ne opomore.
ISO je izdal široko sprejet nabor standardov, ki pokrivajo avtomobilsko električno okolje. Njihov ISO 7637-2 (testni impulz 4) simulira zagon motorja.
V Evropi je konzorcij nemških proizvajalcev, vključno s Porschejem, Volkswagenom, BMW-jem in Audijem, razvil niz testnih standardov LV 124. LV124 E-11 Start Pulse Test ima dve stopnji, “normalno” in “zahtevno”; vsak definira določen niz napetostnih stopenj in časov glede na profil zagona, prikazan na sliki 1. Pri preskusu “zahtevno” mora naprava delovati, kadar VT doseže tudi 3 V.
Polprevodniki kot zamenjave za rele
Še pred premikom k več elektronike so polprevodniški krmilniki počasi nadomeščali elektro-mehanske releje v avtomobilih. Čeprav so releji še vedno priljubljeni pri obremenitvah nad 20 A, so obsežni, med delovanjem porabijo veliko energije, so “on/off” naprave in se ne morejo prilagoditi prefinjenim diagnostičnim in zaščitnim strategijam.
Kot relejske zamenjave so bili polprevodniški krmilniki še posebej privlačni v naslednjih situacijah:
- Lahka bremena manj kot 1 A
- Bremena, za katere je potreben PWM krmiljenje, kot so zatemnitvene sijalke, motorji s spremenljivo hitrostjo, obremenitve, ki zahtevajo mehak zagon
- Bremena, ki imajo zapletene zahteve glede diagnostike ali spremljanja
- Preklopna premena na “High-Side”, s porabo manjšo od 20 A
High-Side proti Low-Side krmilnikom
Obstajata dva osnovna načina krmiljenja bremena (slika 2). Krmilnik na nizki strani (Low-Side) je postavljen med obremenitvijo in maso, medtem ko je krmilnik na visoki strani (High-Side), prikazan v točki 2 (b), postavljen med obremenitvijo in napajalno napetostjo. Krmilnik na nizki strani se pogosto uporablja za obremenitve, povezane s bremeni, kot so motorji, elektromagneti in grelniki. Krmilnik na visoki strani se uporablja za črpalke za gorivo in funkcije, povezane s karoserijo, kot so sedeži, osvetlitev, brisalci in ventilatorji.
Oba krmilnika se razlikujeta predvsem glede na odzivnost na napake. V avtomobilu je bolj verjetno, da bo prišlo do okvare s kratkim stikom do ozemljitve, kot do kratkega stika na napajalno napetost, saj je ozemljena pločevina povsod. Za krmilnike na nizki strani bo kratek stik trajno vklopil breme. S krmilnikom na visoki strani bo kratek stik sklenil izhod krmilnika na ozemljitev, zato bo krmilnik potreboval zaščitno vezje.
Nasproten pogoj bo veljal za kratek stik na napajalno napetost: krmilnik na nizki strani bo kratko sklenjen in bo potreboval zaščito, medtem ko bo krmilnik na visoki strani trajno vklopil breme.
Ta različen odziv je tisto, kar določa uporabo enega krmilnika od drugega; na primer v črpalki za gorivo s krmilnikom na nizki strani lahko na primer kratek stik zaradi trka vklopi črpalko za gorivo in to lahko ima katastrofalne posledice.
Krmilniki na nizki strani se velikokrat uporabljajo pri krmiljenju motorjev in menjalnikov že od 1980-tih let, vendar je široko sprejetje krmilnikov na visoki strani precej novo. Začetna uporaba je bila v osnovnih funkcijah, kot so električni motorji ali ogledala, v zadnjem času pa je bil glavni dejavnik širitev LED osvetlitve. Od prvotne uporabe v notranjosti, se je LED osvetlitev razširila na smernike in zavorne luči, zdaj pa se pojavlja tudi v žarometih. Avtomobilski LED žarometi so običajno sestavljeni iz pametnega krmilnika na visoki strani, ki krmili več zaporedno vezanih LEDic.
Zasnova pametnih krmilnikov na visoki strani
Zasnova krmilnika na visoki strani je nekoliko bolj zapletena kot enakovreden krmilnik na nizki strani; en razlog je, da se običajno kot močnostni element uporablja N-kanalni MOSFET (NMOSFET). Prednostno se uporabljajo NMOSFET, ker jih je mogoče narediti manjše in ceneje kot tranzistorje s P-kanalom za isto zmogljivost. NMOSFET se vklopi tako, da se mu napetost na vratih dvigne nad napetost ponorja; v avtomobilski uporabi je napetost ponorja običajno najvišja napetost v sistemu (tj. napetost akumulatorja), zato je za povečanje napetosti na vratih na zadostno raven potrebno vezje za dvig napetosti.
Zaradi združevanja krmilnih in močnostnih elementov je bil v prvem poizkusu krmilni IC združen z diskretnim MOSFET tranzistorjem z nizko upornostjo zaradi procesnih omejitev v vozilu, vendar sta v novejših vezjih obe napravi integrirani v eno ohišje.
STMicroelectronics, na primer, uporablja postopek izdelave, ki omogoča integracijo digitalnega ali analognega krmilnega vezja z navpičnim močnostnim tranzistorjem na istem čipu (slika 3). Pod imenom VIPower se skriva tehnologija na monolitnem silicijevem čipu, ki združuje tako krmiljenje kot zaščitno vezje s standardno napajalno MOSFET strukturo, v kateri močnostni tok teče navpično skozi silicij.
Celotna VIPower družina zdaj vključuje več kot 600 naprav s široko paleto dodatnih funkcij. Slika 4 prikazuje blok diagram VIPower naprave in štiri možnosti:
- Zaščita akumulatorja pred obratno polariteto, ki omogoča samodejen vklop MOSFET-a
- Do štirje kanali z vgrajenimi močnostnimi MOSFETi
- Razširjene možnosti spremljanja
- Nastavljiv samodejni ponovni zagon ali izklop
Primer naprave, VND7140AJ12, je dvokanalni krmilnik na visoki strani, nameščen v močnostnem ohišju SSO-12. Naprava poganja 12 V avtomobilsko ozemljena bremena preko 3 V in 5 V CMOS vmesnika. Omogoča zaščitne in diagnostične funkcije, kot so omejitev toka bremena, aktivno upravljanje preobremenitve moči in izklop pri previsoki temperaturi.
Priključek za zaznavanje toka na izhodu generira zelo natančen tok, sorazmeren z obremenitvenim tokom. Detektira tudi odkrivanje napak, kot so preobremenitve, kratek stik na ozemljitev ali napajalno napetost ali zazna odprte sponke. Priključek za omogočanje zaznavanja omogoča, da se med načinom nizke porabe onemogočijo funkcije diagnosticiranja v stanju nizke porabe energije.
VND7140AJ12 je zasnovan tako, da deluje med zagonom motorja brez zunanjih komponent. Zlasti izpolni vse funkcije med in po preskusu LV 124 E-11 tako za »normalne« kot »zahtevne« zagonske impulze. Ta zmogljivost je uvrščena v “Funkcionalni status A” na najvišjem nivoju.
Drugi proizvajalci uporabljajo drugačen pristop k integraciji pametnih krmilnikov. Družina PROFET pametnih stikal na visoki strani podjetja Infineon Technologies združuje močnostni tranzistor DMOS s CMOS logičnim vezjem z uporabo tehnologije “čip na čipu” z logičnim ICjem, nameščenim na močnostnem tranzistorju.
PROFET vezja vključujejo široko paleto funkcij za diagnosticiranje napak in nudijo zaščito pred preobremenitvami, kratkimi stiki, previsoko temperaturo, prekinitvijo stika z ozemljitvijo, izgubo napajanja in elektrostatičnim praznjenjem (ESD). Prav tako se lahko zaščitijo pred dinamičnimi prenapetostnimi dogodki, kot so izklop bremena in izklop induktivnega bremena. Na primer, vklopljen BTS442E2 ima največjo upornost 18 mΩ, največjo obratovalno napetost 42 V in tok obremenitve 21 A.
PROFET družina ima široko paleto različnih možnosti naročanja in vključuje miniPROFET linijo v miniaturnih močnostnih ohišjih. Na primer BSP452CT-ND je enokanalni tranzistor s 160 mΩ močnostnim stikalom, ki lahko preklaplja do 700 mA; nahaja se v SOT223-4 ohišju.
Druge možnosti na visoki strani
Obstajajo tudi druge možnosti za izpolnitev zahtev hladnega zagona LV 124 in ISO7637-2. Ker ni vedno mogoče najti krmilnikov na visoki strani, ki bodo delovali pri najnižjih preskusnih napetostih in izpolnjevali vse druge zahteve uporabe, je ena od možnosti uporaba DC-DC pretvornika za povečanje napetosti za vzdrževanje napajalne napetosti na sprejemljivo raven. Na primer LM5118 podjetja Texas Instruments lahko ohrani regulacijo izhoda med hladnim zagonom pri vhodnih napetosti do 2,5 V.
Ena rešitev, ki uporablja ta pristop, bi lahko povezala LM8115 s krmilnikom na visoki strani, kot je TI-jev TPS2022DRG4Q1. To vezje vsebuje 33 mΩ MOSFET stikalo in vključuje zaščito pred kratkim stikom, toplotno zaščito in zaščito pred prenizko napetostjo. Na srečo so v družini TPS202x na voljo dodatne možnosti.
Zaključek
Čeprav so krmilniki na nizki strani uporabljeni že vrsto let, se pametni močnostni krmilniki na visoki strani vedno bolj uporabljajo v avtomobilskih aplikacijah, zlasti pri telesnih funkcijah, kot so sedeži, ogledala in LED osvetlitev.
Poleg tega vzporedno s prizadevanjem za načrtovanje potreb po vzdrževanju obratovanja pri hladnem zagonu prinašajo nove, strožje standarde, kot so zadnji ISO7637-2 in LV 124 testi. K sreči so proizvajalci pospremili novo generacijo krmilnikov in možnosti načrtovanja, da bi razvijalcem pomagali pri doseganju teh novih izzivov.
