Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2018_267_20

Napredni sistemi za pomoč pri vožnji (ADAS) in ugnezdene informativno-razvedrilne funkcije so avtomobile preobrazili v kompleksne elektronske sisteme na kolesih, ki potrebujejo večnivojsko in brezšumno enosmerno napajanje. Tipični avtomobilski akumulatorji še zdaleč niso stabilni v celotnem spektru svojega delovanja, zato morajo snovalci veliko pozornosti nameniti prav zasnovi napajalnega sistema.

Sistemi ADAS vključujejo sistem za ohranjanje varnostne razdalje, sistem za preprečevanje naleta, GPS, kamere za vzvratno vožnjo, sistem za opozarjanje na vožnjo zunaj voznega pasu, sistem za uravnavanje stabilnosti vozila ter povezljivost, informativno-razvedrilne funkcije pa zajemajo prikazovalnike in predvajalnike večpredstavnostnih vsebin. Napajanje teh sistemov z regulacijo enosmerne napetosti iz avtomobilskega 12-voltnega akumulatorja (v nekaterih primerih tudi 24- ali 48-voltnega), je precejšen izziv, saj ga zagotavlja elektronika v tesnih, vročih prostorih, ki so podvrženi tresljajem in udarcem, obenem pa se mora zoperstaviti še šumom akumulatorja, napetostnim konicam, prehodnim pojavom izklopa bremena, toplotnim ekstremom in cikličnosti.

Poleg tega morajo integrirana vezja DC-DC pretvornikov, ki uravnavajo napetost akumulatorja za napajanje številnih enosmernih vodov potrebnih za delovanje različnih funkcij ADAS, delovati v zahtevnih električnih in prostorskih pogojih. Morajo namreč zagotavljati zanesljivo in učinkovito regulacijo z nizkim mirovnim tokom in minimalnimi elektromagnetnimi motnjami.

Ta članek opisuje delovno okolje in pogoje ter avtomobilske standarde, zasnovane za lažje odpravljanje težav. Poleg tega opisuje tudi regulatorje napetosti in DC-DC pretvornike, ki pripomorejo k izpolnitvi avtomobilskih zahtev glede porazdelitve električne energije, ter njihove uporabe.

Pod pokrovom ni prijetno

Avtomobil je kompleksno in težavno okolje za elektroniko (in mehanske komponente), še posebej na štirih področjih: elektrika, toplota, udarci/tresljaji in razpoložljiv prostor. Na kratko:
Elektrika: vod iz akumulatorja ni enostaven in stabilen vir enosmernega toka kot pri večini akumulatorjev; spopadati se mora namreč s padci napetosti pri hladnem zagonu (Slika 1), napetostnimi sunki zaradi izklopa bremena (ob nenadni prekinitvi porabnika, priključenega na alternator) (Slika 2 in Tabela 1), šumom ter elektromagnetnimi in radiofrekvenčnimi motnjami.

Lokalni DC-DC regulatorji se morajo torej zoperstaviti tem dejstvom, delovati v širokem razponu vhodne napetosti (VIN) in dopuščati obratno polariteto akumulatorja. Poleg tega morajo imeti regulatorji zelo nizke vrednosti mirovnega toka, da zagotovijo minimalno praznjenje akumulatorja, ko je avtomobil »izključen«.

Razlog za to leži v tem, da nekatere od funkcij ADAS (in druge) niso fizično odklopljene z akumulatorja, ampak so »mehko« vklopljene/izklopljene oziroma v stanju mirovanja, ko je avtomobil »izključen«. Če povzamemo, lahko njihova t.i. »vampirska poraba« izprazni akumulator tudi, če avtomobila več tednov ne uporabljamo.

Toplota: temperature pod pokrovom motorja lahko nihajo od temperatur pod ničlo (parkirano vozilo pozimi) vse do 150 °C oz. 200 °C, odvisno od delovnih pogojev in mesta merjenja (Slika 3). Čeprav v drugih prostorih avtomobila (npr. v kabini) ni tako vroče, se lahko temperature vseeno povzpnejo precej visoko, če je avto parkiran na soncu. Kadar je zunanja temperatura od 25 °C (77 °F) do 40 °C (104 °F), lahko temperatura v avtomobilu, izpostavljenem neposredni sončni svetlobi, doseže tudi od 50 °C (122 °F) do 75 °C (167 °F).

Udarci/tresljaji: mehanski udarci in tresljaji so vedno prisotni; splošne mehanske analize kažejo, da so manjše in lažje komponente odpornejše na tovrstne dejavnike, lažje pa jih je tudi zaščititi z blažilnikom. Poleg tega imajo te komponente tudi manjša tiskana vezja z enakimi lastnostmi.

Velikost: majhnost vključuje še eno prednost, ki ni povezana z udarci oz. tresljaji. Zaradi fiksnega fizičnega ohišja avtomobila je težko najti primerno mesto za vezja funkcij ADAS in v mnogih primerih tudi za njihove senzorje. Nekatera vezja je mogoče postaviti na skorajda vsako prosto mesto, medtem ko je treba številne senzorje funkcij ADAS in vezja za obdelavo sprednjih signalov postaviti na posebej določena mesta, četudi je njihova podporna elektronika nameščena povsem drugje.

Avtomobilski standardi predstavljajo izziv

Avtomobili imajo tri glavne vire energije: elektriko (električna vozila), hibridne energijske vire (hibridna električna vozila) in motor z notranjim izgorevanjem. Razlikujejo se tako po velikosti, tipu, zmogljivosti kot tudi po ceni. Avtomobilska industrija je določila standarde za stopnje tveganja in delovanja elektronskih komponent, programske opreme in podsistemov. Z uvrstitvijo osnovnih integriranih vezij v različne stopnje so snovalci pridobili gradnike, s katerimi lahko »nadgradijo« tiskana vezja, sklope in podsisteme ter izpopolnijo delovanje določenih funkcij.

Prevladujoči standard za opredelitev delovanja funkcije je mehanizem za ugotavljanje stopnje avtomobilske varnostne celovitosti (ASIL) oziroma večstopenjska klasifikacija tveganj, ki jo določa standard ISO 26262 (funkcijska varnost cestnih vozil). Najvišjo stopnjo avtomobilskega tveganja predstavlja ASIL-D, ki zahteva tudi najvišjo stopnjo zagotovitve, da bodo izpolnjene potrebne varnostne zahteve (Slika 4). V padajočem vrstnem redu nato sledijo stopnje -C, -B in -A, ki označujejo srednje stopnje tveganja in potrebnega zagotavljanja, zadnja pa je stopnja ASIL QM, ki označuje tiste uporabe, ki ne predstavljajo avtomobilskih tveganj in nimajo posebnih varnostnih zahtev (npr. radio).

Prodajalci komponent, zasnovanih za funkcije ADAS, kot so DC-DC regulatorji, morajo svoje naprave preizkusiti in zagotoviti, da izpolnjujejo in presegajo določeno stopnjo zahtev ASIL glede učinkovitosti. Te med drugim vključujejo zahteve glede toplotnih razmer ter ravnanja v primeru tresljajev in okvare.

Prav tako pomemben je standard AEC-Q100, nabor kvalifikacijskih testnih sekvenc za integrirana vezja, ki so ga razvili pri Automotive Electronics Council (AEC). Določa namreč standarde za kvalifikacijo delov in sisteme kakovosti, tako za nove kot posodobljene izdelke. AEC-Q100 določa tudi temperaturno lestvico, kjer so komponente razvrščene v posamezne razrede delovanja, od katerih ima razred 0 najširše območje delovanja (Tabela 2).

DC-DC regulatorji, razviti za izpolnitev zahtev funkcij ADAS

Visoke zahteve funkcij ADAS pogojujejo integrirana vezja, vključno z DC-DC regulatorji , razvitimi za izpolnitev zahtev za tovrstno uporabo ob upoštevanju električnih zahtev, toplotnih zahtev in zahtev glede velikosti. Te komponente si prizadevajo za izpolnitev nekaterih (če ne vseh) avtomobilskih kriterijev ASIL, povezanih z elektriko, toploto, udarci/tresljaji in razpoložljivim prostorom.

MAX16930 proizvajalca Maxim Integrated je na primer 36-voltni regulator DC-DC, ki porabi le 20 mikroamperov (µA) mirovnega toka (Slika 5). Ta avtomobilska stikalna naprava s trojno nazivno napetostjo združuje dva sinhrona krmilnika navzdol in en asinhroni »predzagonski« krmilnik navzgor, kar zagotavlja do tri samostojno krmiljene napetostne vode: predzagon s spremenljivo izhodno napetostjo, krmilnik navzdol s fiksno 5-voltno napetostjo ali spremenljivo 1–10-voltno napetostjo ter krmilnik navzdol s fiksno 3,3-voltno napetostjo ali spremenljivo 1–10-voltno napetostjo.

MAX16930 deluje s pomočjo 3,5–36-voltnega tokovnega voda, medtem ko predzagon razširi območje delovanja na 2 volta (v načinu za ponovni zagon), ki sta potrebna za izvedbo hladnega zagona (Slika 5). Tako krmilnik navzdol kot krmilnik navzgor lahko zagotovita do 10 amperov izhodnega toka, oba pa sta tudi ločeno krmiljena. Uporabniško nastavljiva preklopna frekvenca, ki znaša od 200 kHz do 2,2 MHz, z izbirnim učinkom razpršenega spektra, zagotavlja odsotnost amplitudnih motenj.

MAX16930 vključuje izbirno nastavitev taktnega signala, ki snovalcem omogoča, da zmanjšajo težave, povezane z motnjami zaradi taktnih signalov integriranih vezij, kakor tudi frekvence impulzov, ki so posledica preklapljanja med več sistemskimi taktnimi signali. Uporabniki lahko izbirajo med tremi frekvenčnimi načini delovanja:
Osnovni način delovanja na fiksni, uporabniško nastavljeni frekvenci.
Način preskakovanja, ki onemogoči taktni signal pri lahkem porabniku in ga vključi le za uravnavanje enakomerne izhodne napetosti (po potrebi).
Sinhronizacija z zunanjim taktnim signalom. Ta način omogoča spontano preklapljanje integriranega vezja, vendar je za takšno upravljanje integriranega vezja potrebna dodatna programska oprema.

Druga možnost, ki jo ponuja to integrirano vezje, je proženje taktnega signala za razpršitev spektra, kar zmanjša elektromagnetne motnje zaradi taktnih signalov, ki se pojavljajo na posamezni frekvenci zaradi naključnega razprševanja taktnih signalov okoli nominalne frekvence; neželena energija elektromagnetnih motenj se razprši po širšem spektru, vendar z nižjo najvišjo amplitudo na posamezni frekvenci.
Uporabniki morajo med fazo zasnove sistema določiti tudi »vrednost« notranjega linearnega regulatorja (LDO), ki ga je mogoče zaobiti s priključitvijo na zunanji vod.

Po eni strani je izhod LDO izjemno tih in uporaben za oskrbo manjšega, lokaliziranega porabnika, ki zahteva minimalno stopnjo šuma tokovnega voda, po drugi strani pa je manj učinkovit od stikalnih regulatorjev v MAX16930.

Običajna tehnika za obravnavanje ohišja je povečanje števila posameznih izhodov iz enega integriranega vezja. LT8603 proizvajalca Analog Devices je IC s štirimi izhodi, ki združuje dva stikalna regulatorja navzdol z visoko vhodno napetostjo, en regulator navzdol z nizko vhodno napetostjo in en zagonski krmilnik, v skupni velikosti 6 x 6 mm.

Ko je zagonski krmilnik nastavljen na napajanje VIN, integrirano vezje razvije tri regulirane izhode, tudi če zagonska vhodna napetost pade pod regulirano izhodno napetost, na primer pri hladnem zagonu (Slika 6).
Integrirano vezje deluje prek napajalnih vodov, ki dosežejo tudi do 42 voltov, in se preklaplja na izbranih frekvencah uporabnikov, ki se gibljejo med 250 kHz in 2,2 MHz, da se s tem zmanjšajo elektromagnetne motnje. Izsevane elektromagnetne motnje (za test izsevanih emisij CISPR 25 z mejnimi vrednostmi razreda 5) so pod mejno vrednostjo (kratki horizontalni segmenti) (Slika 7).

Štirje kanali tega integriranega vezja so samostojno napajani in snovalci se morajo odločiti, na kakšen način jih bodo povezali, da bi dosegli zastavljene cilje glede sistema in vezja. Napetost navzgor je na primer mogoče konfigurirati za dovajanje vhodne napetosti do pretvornikov navzdol, kar daje tri močno regulirane izhode, tudi če vhodna napetost navzgor pade pod vrednost reguliranega izhoda navzdol, kar se bo najverjetneje zgodilo med hladnim zagonom. Vendar pa je krmilnik načina navzgor mogoče upravljati iz krmilnika napetosti navzdol ali konfigurirati kot pretvornik SEPIC; v tem primeru integrirano vezje daje do štiri močno regulirane izhode.

Poleg tega morajo snovalci določiti tudi območje stikalne frekvence štirih kanalov in to še pred izbiro frekvence oscilatorja, ki jo je mogoče nastaviti z enim samim uporom z vrednostjo od 250 kHz do 2,2 MHz. Nižje frekvence običajno zagotavljajo večjo učinkovitost in širšo delovno območje vhodne napetosti zaradi manjših izgub pri preklapljanju in manjše občutljivosti na časovne omejitve, kot sta minimalni čas vklopa in izklopa.

Višje stikalne frekvence pa omogočajo uporabo manjših komponent in usmerijo šum zaradi preklapljanja stran od občutljivih frekvenčnih pasov, kot je AM radio. Njihova slabost je zmanjšana učinkovitost.

Napajanje visoko zmogljivih senzorjev ADAS

Nekatere funkcije ADAS imajo visokozmogljiv sprednji del senzorjev, zaradi česar zahtevajo manj šuma ali hitrejši prehodni odziv, kot ga lahko zagotovi večina stikalnih regulatorjev navzdol. Linearni regulator z nizko izklopno napetostjo MAX15027 (kvalificiran za AEC-100 Grade-1) proizvajalca Maxim je zasnovan za prav takšne razmere. Deluje že pri vhodni napetosti 1,425 volta in zagotavlja neprekinjen izhodni tok do 1 ampera z maksimalno izpustno napetostjo le 225 milivoltov (mV). Njegova široka pasovna širina podpira hiter prehodni odziv, s čimer omejuje odstopanje izhodne napetosti na 15 mV s 500-miliamperskimi (mA) stopnjami obremenitve, pri čemer na izhodu uporablja samo 4,7-mikrofaradni (μF) keramični kondenzator.

Nekaj previdnostnih ukrepov za optimalno delovanje LDO

Čeprav je MAX15027/MAX15028 LDO in s tem tudi ena od najpreprostejših topologij za regulacijo električne energije, so potrebni nekateri previdnostni ukrepi. V prvi vrsti je treba upoštevati, da morata biti tako 1-mikrofaradni keramični vhodni kondenzator kot 4,7-mikrofaradni keramični izhodni kondenzator visokokakovostna in morata imeti nizko ekvivalentno serijsko upornost (ESR) v območju miliohmov; če je vrednost ESR enaka ali višja od vrednosti v ohmih, bo ogrožen prehodni odziv LDO med dovodnim vodom in porabnikom, zaradi česar lahko pride do težav z notranjo stabilnostjo zanke LDO in morebitne samooscilacije.

Poleg tega mora postavitev tiskanega vezja ustrezati hladilnim in toplotnim zahtevam, saj imajo LDO-ji relativno visoko razmerje disipacije na velikost svojega ohišja v primerjavi s stikalnimi regulatorji. Zato ima ohišje TDFN izdelka MAX15027/MAX15028 na spodnji strani izpostavljen toplotni podstavek, ki zagotavlja nizkouporni toplotni prehod do tiskanega vezja. Ta prehod odvaja večino toplote stran od integriranega vezja, kar omogoča, da tiskano vezje deluje kot učinkovita hladilna naprava. Za najboljšo toplotno in električno učinkovitost mora biti izpostavljen podstavek povezan z večjo ozemljitveno ploščo.

Ta pristop – če ga obravnavamo ločeno – je potreben, vendar ne zadostuje. Uporaba toplotnega modeliranja je ključnega pomena za zagotovitev, da bližnja integrirana vezja in drugi sestavni deli ne uporabljajo iste bakrene plasti tiskanega vezja za svoje potrebe po hlajenju, zaradi česar bi lahko postala skupna toplotna obremenitev prevelika za izbrano strategijo hlajenja.

Ta strategija se ponavadi začne z usmerjanjem toplotne prevodnosti stran od integriranega vezja, prek podstavka do plasti tiskanega vezja, ki mu v večini primerov sledi konvekcija na oddaljeni hladilni napravi ali plošči. Tovrstno »kopičenje« toplotnih virov lahko nasprotuje osnovnemu načrtu hlajenja, ki se začne na spodnjem toplotnem podstavku integriranega vezja.

Sklep

Za uporabo funkcij ADAS in informativno-razvedrilnih sistemov je treba izpolniti njihove edinstvene in pogosto zapletene zahteve glede napajanja z enosmernim tokom. To spodbuja razvoj in razpoložljivost integriranih vezij in drugih komponent, ki lahko delujejo navkljub skrajnim temperaturam in napetostnemu območju voda za dovajanje enosmernega toka, tudi če imajo zelo nizek izhodni mirovni tok. Poleg tega morajo biti integrirana vezja majhna, da so manj občutljiva na tresljaje in udarce, kar na srečo ustreza tudi kompaktnim modelom vezij za funkcije ADAS.

Prodajalci regulatorjev električne energije v današnjem času ponujajo širok nabor stikalnih naprav, optimiziranih za funkcije ADAS, in LDO vezij za pretvarjanje DC/DC, ki izpolnjujejo stroge industrijske standarde ter poenostavljajo načrtovalske izzive in odločitve glede seznama BOM.

www.digikey.com