Do leta 2030 bo elektronika predstavljala 50 odstotkov stroškov izdelave vozila, rast elektronskih vsebin pa bo med drugim mogoča na področju avtomobilskih vrat. Načrtovanje elektronike vrat je lahko velik izziv, saj vsaka vrata potrebujejo krmilnik, kontrolno omrežje (CAN) ali LIN (ang. Local Interconnect Network) oddajnike-sprejemnike za povezovanje z ostalimi sistemi v vozilu, več gonilnikov motorja in regulatorje napetosti. Vgradnja teh naprav in omrežij lahko postane zapletena, draga, časovno zamudna ter poveča težo vrat, zato si razvijalci prizadevajo poiskati načine za poenostavitev uporabe in skrajšanje seznama materialov.
Njihovo nalogo olajšajo standardni izdelki, namenjeni za specifično uporabo (ASSP), ki so zasnovani za avtomobile. Dodatno te rešitve razvijalcem omogočajo, da izkoristijo prednosti centraliziranega ali decentraliziranega pristopa k elektroniki vrat, odvisno od kompleksnosti zasnove in stroškovnih omejitev.
Evolucija avtomobilske elektronike in funkcij omrežja
Avtomobilska elektronika se je pojavila s potrebo po krmilnih enotah motorja (ECU) za uravnavanje vbrizgavanja goriva, ki so začele nadomeščati uplinjače v 70. letih. Od takrat je elektronika doživela izjemen razcvet. Vozila višjega cenovnega razreda zdaj ponujajo celovite elektronske sisteme za štiri ključna področja:
- Pogonski sistem (krmiljenje motorja, nadzor menjalnika, zaganjalnik/alternator)
- Karoserija in udobje (osvetlitev, ogrevanje, hlajenje in prezračevanje (HVAC), sedeži in vrata, daljinski vstop brez ključa)
- Varnost (ABS, servokrmiljenje, zračne blazine, pomoč pri vožnji)
- Informativno-razvedrilni sistem (navigacija, zvok, multimedijske vsebine, mobilne povezave, Bluetooth, telematika, armaturna plošča)
- Vsak od teh sistemov uporablja namenske računalniške module, pri čemer so posamezni moduli povezani preko omrežja vozila (IVN), ki temelji na CAN in/ali LIN tehnologiji.
CAN je standard za vodila v vozilu, ki po svoji zasnovi omogoča komunikacijo med računalniškimi moduli in senzorji/aktuatorji brez gostiteljskega računalnika. Povezave razvršča po pomembnosti – če oddaja več kot ena naprava naenkrat, ima prednost najpomembnejša, kar preprečuje konflikte in poskrbi, da kritične funkcije ne zamujajo. CAN je predrag, da bi ga uporabili za povezovanje vsake elektronske komponente v vozilu, zato se za dodajanje vseh naprav v omrežje vozila pogosto kombinira z LIN tehnologijo, ki uporablja manj zapleteno in cenejšo tehnologijo serijske povezave za časovno nekritične funkcije, običajno povezane z udobjem potnikov.
Ta prispevek se osredotoča na elektronske sisteme v povezavi z vrati vozila. Kot na drugih avtomobilskih področjih se je tudi tukaj povečala uporaba elektronike za udobje voznika.
Večina sodobnih avtomobilov ima elektronsko krmiljena okna, ključavnice in ogledala, bolj nedavno pa so začeli vgrajevati tudi funkcije, kot je zaščita pred priprtjem. Luksuzna vozila omogočajo odtaljevanje vratnih ogledal ter imajo indikatorje, nameščene na ogledalih, in osvetlitev notranjosti vrat. Naslednja generacija modelov višjega cenovnega razreda bo vključevala elektrokromatsko zatemnitev stranskih ogledal glede na svetlost luči ostalih vozil v prometu.
Centralizirano ali decentralizirano krmiljenje avtomobilske elektronike
Centralizirana topologija elektronike vrat trenutno prevladuje kot najpogostejši pristop, zlasti pri vozilih nižjega cenovnega razreda z omejenimi funkcijami vrat. BCU – modul, ki povezuje sisteme omrežja vozila, mikroprocesor, gonilnike aktuatorja in diskretne komponente – je z aktuatorji v posameznih vratih povezan z električnimi kabli in ločenimi kabli za komuniciranje s pomočjo CAN ali LIN tehnologije. Ključni prednosti takšnega pristopa sta cena (potreben je zgolj en BCU) in skalabilnost (slika 1).
Kljub temu je centralizirana topologija vse manj priljubljena za vozila višjega razreda, saj se zanje zahteva precej večja stopnja funkcionalnosti, kar pomeni več napeljav. Zaradi tega kabelski snopi postanejo težki, zapleteni in dragi.
Alternativo predstavlja decentralizirani pristop, kjer imajo posamezna vrata vsaka svoj BCU. Pri takšni zasnovi je večina napeljave lokalizirane, tj. obstaja enojno BCU napajanje (ki nato razporedi napajanje do aktuatorjev v vratih), in CAN in/ali LIN povezava, ki je razširjena do preostalih delov vozila. Ključne prednosti so izjemno zmanjšanje teže, zapletenosti in cene kabelskih snopov ter prilagodljivost BCU zasnove, ki ustreza specifičnim vratom, za katere je načrtovana. BCU sprednjih vrat recimo potrebuje dodatno funkcijo za upravljanje vratnih ogledal (slika 2).
Čeprav je decentralizirana topologija čedalje bolj priljubljena, ne kaže, da bi opustili centralizirani pristop. Izbira enega ali drugega načina zasnove je odvisna predvsem od razmerja med stroški in zapletenostjo kabelskih snopov.
Prodajalci ponujajo rešitve, ki poenostavijo zasnovo tako pri decentraliziranih kot centraliziranih rešitvah. Na primer: ON Semiconductor dobavlja širok nabor integriranih vezij za specifično uporabo (ASIC), standardnih izdelkov, namenjenih za specifično uporabo (ASSP), in diskretne komponente za elektroniko vrat; razvijalci lahko nato samo izberejo poljubni mikrokontroler (slika 3).
Omrežja vozila
Ne glede na to ali razvijalci za krmiljenje elektronike vrat izberejo centralizirano decentralizirano zasnovo, morajo zagotoviti, da je BCU integriran v omrežje vozila (ang. In-vehicle network oz. IVN). Povezavo CAN omogoča CAN krmilnik, združen s CAN oddajnikom-sprejemnikom, ki predstavlja vmesnik med krmilnikom in fizičnim vodilom. Primeri CAN oddajnikov-sprejemnikov, primernih za avtomobilsko uporabo, vključujejo izdelek znamke ON Semiconductor NCV7341D21R2G, CAN napravo za visoke hitrosti 1 megabit na sekundo (Mbit/s). Čip vključuje diferencialni sprejemnik z visokim sofaznim dušenjem za dobro elektromagnetno odpornost (EMI) v zahtevnih avtomobilskih okoljih. Poleg tega so priključki vodila na čipu zaščiteni pred napetostnimi prehodnimi pojavi, ki lahko povzročajo težave v avtomobilskih električnih sistemih (slika 4).
Decentralizirani sistem poleg CAN povezave z omrežjem vozila zahteva tudi LIN povezavo med sprednjim in zadnjim BCU modulom, kot je prikazano na sliki 2. BCU sprednjih vrat je priključen na CAN, vendar je za zmanjšanje stroškov in napeljav zadnji BCU povezan s sprednjim BCU serijsko LIN povezavo. Pri LIN tehnologiji je do vsakega vozlišča speljan en kabel, kar poenostavi napeljavo in zniža stroške. Prenos je omejen na največ 20 kilobitov na sekundo (kbit/s), vendar to zadostuje za krmiljenje naprav, kot so vratne ključavnice, okna in vratna ogledala.
NCV7321D12R2GLIN oddajnik-sprejemnik podjetja ON Semiconductor je dobra izbira za povezavo elektronike v vratih z LIN standardom. Čip vključuje LIN oddajnik, LIN sprejemnik, vezja za reset ob napajanju (ang. power-on-reset oz. POR), termični izklop ter štiri načine delovanja (izklopljeno, stanje pripravljenosti, normalno in stanje mirovanja). Načini so odvisni od napajalne napetosti (VBB, 5 do 27 voltov), vhodnih signalov »omogoči« (EN) in WAKE ter aktivnosti na LIN vodilu. Oddajnik-sprejemnik je optimiziran za največji prenos in ima dobre lastnosti elektromagnetne odpornosti (EMI) zaradi nizke hitrosti spremembe LIN izhodne napetosti(ang. slew rate).
LIN topologija uporablja eno glavno vozlišče, ki krmili serijo do 16 podrejenih vozlišč. Pri decentraliziranem sistemu sprednji in zadnji BCU vključujejo glavno vozlišče, periferne enote, denimo nadzorne plošče oken, pa imajo vgrajena podrejena vozlišča, kot prikazuje slika 2. Glavno vozlišče povezuje LIN oddajnik-sprejemnik z ustreznim mikrokontrolerjem (slika 5).
Gonilniki aktuatorjev v vratih
Naslednja ključna komponenta BCU modulov, tako pri centralizirani kot decentralizirani topologiji, so gonilniki aktuatorjev, ki so potrebni za napajanje vratnih ključavnic, ogledal, oken in drugih sistemov. ON Semiconductor ponujaNCV7703CD2R2G,trojni polmostični gonilnik, zasnovan posebej za krmiljenje gibanja v avtomobilih in industriji. Trojne polmostične gonilnike je mogoče neodvisno krmiliti s pomočjo serijskega zunanjega vmesnika (ang. Serial Peripheral Interface oz. SPI), tipično pa zagotavljajo 500 milliamperov (mA) toka oziroma do največ 1,1 ampera (A). Čip je mogoče napajati z napajalno napetostjo od 3,15 do 5,25 voltov in obremenilno napetostjo od 5,5 do 40 voltov.
Ključna omejitev pri načrtovanju je najvišja temperatura silicijeve ploščice. Temperatura silicijeve ploščice ne sme presegati 150 °C, tudi če to omejuje število, koliko od treh gonilnikov naprave je mogoče uporabljati hkrati.
Krmiljenje izstopnega gonila (in poročanje o napakah) poteka preko SPI vrat. EN funkcija omogoča stanje mirovanja z nizkim tokom, ko naprava ni v uporabi, poleg tega je na voljo pull-down upor na EN, SI in SCLK vhodih, kar zagotavlja privzeto povrnitev v nizko stanje v primeru prekinjenega vhodnega signala.
Uporaba trojnega polmostičnega gonilnika NCV7703CD2R2G v sistemu za nastavljanje položaja vzvratnega ogledala je prikazana na sliki 6. V tej postavitvi izhodni signal iz treh polmostičnih gonilnikov napaja dva električna motorja, ki premikata ogledalo v smereh X in Y.
S posameznim mikroprocesorjem je mogoče krmiliti več trojnih polmostičnih gonilnikov NCV7703CD2R2G, kar zmanjša seznam materialov za vratno elektroniko. Najučinkovitejši način za takšno izvedbo je upravljanje gonilnikov paralelno z vsako napravo, ki je krmiljena na multipleksiran način.
Pri serijski konfiguraciji morajo programske informacije za zadnjo napravo v zaporednem nizu najprej skozi vse predhodne naprave. Paralelna topologija krmiljenja odpravi to zahtevo, toda pri tem se zoži izbor procesorjev, in sicer na naprave, ki vključujejo zatiče za izbiro čipa (CSB) za vsak gonilnik. Serijske podatke nato prepozna samo naprava, ki jo aktivira ustrezen CSB priključek (slika 7).
Trojni polmostični gonilnik NCV7703CD2R2G za notranje delovanje potrebuje 5-voltno regulacijo na napajalnem vhodu. Primerna možnost, ki izpolnjuje to zahtevo, je linearni napetostni regulator znamke ON Semiconductor NCV8518BPWR2G. Čip ima fiksni 5-voltni izhod in ga regulira z odstopanjem ±2 %. Primeren je za uporabo v vseh avtomobilskih okoljih in ima nizek padec napetosti med vhodom in izhodom (ang. dropout voltage), tipično 425 millivoltov (mV), ter nizek mirovni tok 100 mikroamperov (µA). Varnostne funkcije vključujejo termični izklop, zaščito pred kratkim stikom in odpornost na prehodne napetosti do 45 voltov. Linearni napetostni regulator je mogoče uporabljati tudi za napajanje mikroprocesorja v modulu BCU (slika 8).
Alternativen linearni napetostni regulator za tiste dele elektronike vrat, ki zahtevajo nizko ceno, je NCV8184DR2G. Ta čip zagotavlja spremenljivostabilizirano izhodno napetost med –3,0 in 45 volti, ki natančno spremlja (±3,0 mV) referenčni vhodni signal. Delovna napetost znaša med 4,0 in 42 volti.
Koristna funkcija NCV8184DR2G regulatorja je, da v običajni konfiguraciji preživi kratek stik z avtomobilskim akumulatorjem brez poškodb (slika 9). Čip lahko zdrži kratek stik z akumulatorjem, tudi kadar je priklopljen na izolirano napajanje z nizko napetostjo.
Diskretne komponente
ON Semiconductor poleg monolitnih naprav za omrežja vozila (IVN), gonilnikov aktuatorjev in regulatorjev napetosti ponuja nabor diskretnih komponent za elektroniko vrat, kot so Zener diode avtomobilskega razreda. Uporabiti jih je mogoče za zaščito občutljivega silicija v MCU modulih pred napetostnimi konicami, ki jih povzročijo zunanji dejavniki, na primer elektrostatična razelektritev (ESD) s TVS elementi. (Več informacij o zaščiti avtomobilske elektronike najdete v članku iz knjižnice Digi-Key: »Design In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability.«)
Druga možnost uporabe Zener diod – v kombinaciji z uporom in MOSFET – je kot osnova za cenovno ugoden in kompakten linearni napetostni regulator. Linearni napetostni regulator je mogoče sestaviti iz diskretnih komponent, ki regulirajo napajalno napetost iz akumulatorja vozila za napajanje predgonilnikov in gonilnikov (slika 10). Avtomobilski akumulator zagotavlja približno 14 voltov, napajalna napetost (VS) za trojni polmostični gonilnik NCV7703CD2R2G pa je lahko med 5,5 in 40 volti. Ta preprosta in cenovno ugodna Zener dioda/linearni napetostni regulator ohranja stabilno napetost za elektroniko vrat, tudi ko se izhodna napetost iz akumulatorja spreminja.
Primerna Zener dioda za ta način uporabe je SZBZX84C5V1LT3G podjetja ON Semiconductor. To je Zener dioda avtomobilskega razreda (AEC-Q101) v kompaktnem ohišju SOT−23. Te naprave zagotavljajo regulacijo napetosti pri minimalnih prostorskih zahtevah. Zener dioda ima največjo dovoljeno disipacijo 250 millivatov (mW) in prebojno napetost od 2,4 do 75 voltov, odvisno od izbrane komponente.
Celoten regulator potrebuje upor za omejevanje toka, ki teče skozi Zener diodo. Upor je treba izbrati tako, da omogoča pretok dovolj velikega toka do obremenitve in do Zener diode, da omogoča regulacijo, a ne kaj dosti več od tega. Regulator z Zener diodo ima visoko izhodno impendanco, saj mora ves obremenitveni tok skozi upor, ki omejuje tok, kar omeji količino toka, ki ga regulator lahko zagotovi bremenu. To omejitev je mogoče preseči z izravnavanjem izhodnega signala Zener diode s sledilnikom vira, kot je MOSFET, prikazan na sliki 10. (Za več informacij glejte članek Maker.io: »Zener Diode Regulator with Transistor Current Buffer.«)
Zaključek
Elektronika vrat je postala vse bolj zapletena, saj avtomobilski proizvajalci v vozila dodajajo čedalje več funkcij. Zaradi tega inženirji težje načrtujejo sisteme, ki izpolnjujejo zahtevne omejitve glede stroškov, teže, prostora in zanesljivosti.
V članku smo prikazali, da integrirana vezja za specifično uporabo (ASIC), standardni izdelki, namenjeni za specifično uporabo (ASSP), in diskretne komponente, zasnovane v skladu z avtomobilskimi standardi, olajšajo razvojne izzive in omogočajo modularni pristop pri oblikovanju elektronike vrat. Na ta način je lažje izpolniti specifikacije in spoštovati omejitve glede seznama materialov ter istočasno ohraniti dobro delovanje in zanesljivost.
Povezani članki:
- Design in TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability (Načrtovanje zaščite TVS-diod za izboljšanje zanesljivosti vodil CAN)
- Zener Diode Regulator with Transistor Current Buffer (Regulator diode Zener z izravnalnikom toka skozi tranzistor)
www.digikey.com
