Monet ajoneuvojen mukavuutta lisäävät toiminnot vaativat hyvin suurella virralla ohjattavia moottoreita. Esimerkiksi automaattiset liukuovet ja takaluukut vaativat toimiakseen vääntömomentin, joka edellyttää kymmenien ampeerien suuruisten virtojen syöttämistä moottoreille. Toshiba on kehittänyt tehonsyöttöön kolmesta sirusta koostuvan SiP-piirin, joka on pakattu alle neliösentin kokoon.

Artikkelin kirjoittaja Klaus Neuenhüskes vastaa Toshiba Electronics Europen järjestelmä- ja sekasignaalipiirien markkinoinnista.

Kun katsotaan tämän päivän ajoneuvoja, on vaikea löytää niistä kovin paljon täysin mekaanisia toimintoja. Sähköistyksen kannalta näyttää siltä, että kaikki mahdolliset ajoneuvon toiminnot on nykyään sähköistettävä aina kamerapohjaisista taustapeileistä moottorien ohjaamiin oviin ja takaluukkuihin asti. Vaikka autoalan suunnittelijoiden mielikuvitus erilaisten ominaisuuksien ja vaihtoehtojen luomiseksi laajenee kaiken aikaa, säilyvät laatua, luotettavuutta ja pitkäaikaista käytettävyyttä koskevat vaatimukset vakaina edelleenkin.

Joidenkin sovellusten haasteena ovat suuret kuormitukset, erityisesti ovissa ja takaluukuissa, sekä toimintojen integroiminen haluttuun tilaan. Tämä johtaa tehonjakeluun ja lämmöntuottoon liittyviin ongelmiin, jotka piisiruja toimittavien yritysten on kyettävä suurelta osin ratkaisemaan.

Ajoneuvoihin voidaan sijoittaa lukuisia mukavuusominaisuuksia, jotka sähkömoottorin tukemina nostavat auton ylellisyystasoa. Yleisimpiä niistä ovat sähkötoimiset ikkunat ja kattoluukut, jotka vaativat noin 12 Nm vääntömomentin. Liukuovet ja takaluukun nostimet vaativat kuitenkin jopa 140 Nm momentin, mikä edellyttää kymmenien ampeerien suuruisten virtojen syöttämistä sähkömoottorille käytön aikana.

Suurten virtojen lisäksi on kysymys myös syntyvän lämmön haihdutuksesta, sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) varmistamisesta sekä siitä, että fyysistä kokoa ja melutasoa koskevat vaatimukset täyttyvät. Sovelluksia tarvitaan myös ajoneuvoille vaadittujen ASIL-turvatasojen (Automotive Safety Integrity Level) saavuttamiseksi sekä ISO 26262 -standardin vaatimusten täyttämiseksi, jotta rakenteissa voidaan yltää turvallisiin ratkaisuihin.

Tarkastellessaan tarjolla olevia komponentteja suunnittelijan on harkittava huolellisesti, miten voi parhaiten vastata kohtaamiinsa haasteisiin. Tarvittavan piirilevyalan pienentämiseksi monet puolijohdetoimittajat tarjoavat pitkälle integroituja piiriratkaisuja. Moottorinohjauksissa nämä yleensä jakautuvat kahteen luokkaan: mikro-ohjain integroituna FET-ohjaimiin tai FET-ohjaimet integroituina tehokytkimiin.

Nykyaikaisen auton katsotaan tarvitsevan noin 100 miljoonaa riviä1) koodia, joten autoalan suunnittelijat ovat panostaneet vahvasti nykyiseen koodikantaan, kehitysympäristöön ja mikro-ohjainalustaan. Olisi kuitenkin viisasta tutkia huolellisesti kaikki mahdolliset edut, joita voi tuoda mikä tahansa integroitu mikro-ohjainratkaisu, joka ei vielä ole ollut osana suunnitteluprojektia. Tätä ajatellen on todennäköistä, että innovatiivisilla ratkaisuilla FET-ohjainten ja tehokytkimien integroinnissa on autoteollisuudessa enemmän vetovoimaa kuin FET-ohjainten integroinnissa mikro-ohjaimiin.

Autoelektroniikan sukutaulu täynnä perinteitä

Vuodesta 1974 Toshiba on ollut luotettavien elektronisten ratkaisujen toimittaja, jonka tuotteiden avulla autoteollisuus on pystynyt toteuttamaan ajoneuvoja ostavan yleisön toiveita ja unelmia. Alkuvaiheessa innovaatiot liittyivät runkoon liitettyihin sovelluksiin kuten lasinpyyhkimien ohjaukseen, kojelaudan mittariryhmiin, vilkkuihin ja ovimoduuleihin. Tuolloin ne perustuivat bipolaaripiireihin. Siirtyminen BiCMOS-teknologiaan tapahtui 1980-luvulla ja se muodosti pohjan useille uusille tekniikoille: mm. 5 voltin regulaattorit, releohjaimet ja lukkiutumattomat jarrujärjestelmät (ABS).

2000-luvulla bipolaaripiirit sekä CMOS- ja LDMOS-rakenteet yhdistävä BiCD-teknologia tarjosi sitten piireille uuden perustan tukemaan uusia turvaratkaisuja kuten turvatyynyjä ja sähköisiä ohjaustehostimia (EPS) sekä useita moottorilohkoon liitettyjä sovelluksia. Viimeisten 45 vuoden aikana Toshiba on toimittanut ajoneuvosovelluksiin lähes 2,5 miljardia mikropiiriä.

Toshiba on kehittänyt uusia ratkaisuja 12 voltilla toimiviin moottorinohjaussovelluksiin jatkaen tätä perinnettä autoteollisuudessa. TB9111FTG-piiri sisältää sekä ylä- että alapuolisen teho-FET-kytkimen, jonka johtavan tilan resistanssi on hyvin alhainen, sekä niitä varten tarvittavan hilaohjainpiirin (kuva 1). Puolisillan muodostava kytkinrakenne toimii -40 ... +175 °C lämpötila-alueella, joka soveltuu tehofeteille.

Kuva 1. TB9111FTG-piirin lohkokaavio

Jopa 50 A moottorille

TB9111 on toteutettu kolmesta sirusta koostuvana SiP-järjestelmäpakettina (System in Package) 9 x 9 millin WQFN-kotelossa. Lämmönpoiston optimoimiseksi paketin pohjalle on sijoitettu E-PAD-tyyny (Exposed Pad). Asianmukaisesti suunniteltuna puolisilta voi syöttää moottorille jopa 50 ampeerin virtoja.

Kuva 2. Sovelluspiiri sisältää diagnostisen evaluoinnin, virranvalvonnan ja optiona FET-kytkimen lämpötilanvalvonnan puolisiltamuotoista käyttöä varten.

Ohjauspiiri tarjoaa laajan valikoiman ominaisuuksia, jotka tukevat FET-kytkimien ohjausta ja tarjoavat suojauksen järjestelmälle sekä takaisinkytkennän mikro-ohjaimelle. Suojaus sisältää ylivirran sammutuksen, virranrajoituksen ilmaisun, kuolleen ajan muodostuksen ja alijännitteen tunnistuksen.

Pakettiin on integroitu myös operaatiovahvistin, joka yhdessä yläpuolen pieniohmisen resistanssin kanssa tuottaa lähdön, jota mukaan liitetty mikro-ohjain voi käyttää virran mittaamiseen AD-muuntimen kautta (kuva 3). Tällä mittauksella voidaan yltää 10 prosentin tarkkuuteen lähestymistavasta riippuen.

Kuva 3. Virranvalvonnan toteutus AD-muuntimen tuloasteen ja IMONI-lähtönastan kautta.

EMI-haasteiden voittamiseksi voidaan käyttää ulkoista vastusta yhdessä SR-nastan kanssa halutun nousunopeuden saavuttamiseksi (kuva 2). Sisäinen kuolleen ajan generointi mukautuu automaattisesti tähän asetukseen.

On kuitenkin huomattava, että hitaammat nousu- ja laskuajat vaikuttavat käytettävissä olevien PWM-taajuuksien (Pulse Width Modulation) yläpäähän. Tämä johtaa myös suurempiin häviöihin, mikä lisää lämpenemistä suuremman tehonkulutuksen vuoksi. Siksi suunnittelijoita kehotetaan noudattamaan varovaisuutta piirin tätä osaa mitoitettaessa.

Kytkimiä ohjataan kolmella digitaalitulolla, joista kaksi muodostaa ohjauksen ja yksi enable-toiminnon. Toinen digitaalinen tulo tarjoaa valmiustilan hallinnan, jonka avulla kytkin voi siirtyä tilaan, joka kuluttaa vain 5 mikroampeeria virtaa.

Kaksi digitaalista lähtöä antavat yhdessä mikro-ohjaimelle diagnostiikkapalautetta, jonka dekoodaus riippuu ILTSET-tulon tilasta. Diagnostiikka keskittyy joko ylilämpötilaan tai ylivirtaan tai niiden yhdistelmään.

Lämpötilanmittauksen viiveen pitämiseksi mahdollisimman pienenä sekä N- että P-kanavaisiin FET-kytkimiin on integroitu diodit säädinsirun lämpötilan valvomiseksi. Varoitukset lähetetään sirun lämpötilan ollessa noin 135°C, kun taas koko piiri suljetaan lämpötilassa 195°C. Tämän tilan lukitus on poistettava piirin uudelleen käynnistämiseksi. Lämpötiladiodeja voidaan myös valvoa mikro-ohjaimella kahdesta lähtönastasta AD-muuntimen kautta.

Piirillä voidaan tukea sekä harjallisia että harjattomia tasavirtamoottoreita. Harjallisia DC-moottoreita voidaan käyttää yhden TB9111FTG-piirin kanssa tai kahden piirin kanssa H-silta-kokoonpanossa (kuva 4). Tässä rakenteessa kumpaakin yläpuolen FET-kytkintä voidaan valvoa virtamuodossa. Vaihtoehtoisesti kolme piiriä voidaan yhdistää ohjaamaan harjatonta moottoria.

Kuva 4. Esimerkki täyssillan toteutuksesta. Virtamuotoinen valvonta toimii sillan kummassakin puolikkaassa.

Sähköistys yhä syvemmälle

Sähköajoneuvojen yleistymisen aikakaudella autojen perinteisiä mekaanisia toimintoja on sähköistettävä yhä syvemmin, jotta futuristinen sädekehä saataisiin säilymään ajoneuvojen ympärillä. Tämä edellyttää suuritehoisia moottoreita, jotka ohjauselektroniikkaan yhdistettynä voivat tuottaa tarvittavan vääntömomentin ikkunoiden, ovien ja takaluukkujen avaamiseen ja sulkemiseen.

Suunnitteluun kannattaa myös valita luotettava kumppani, jolla on laaja ’sukutaulu’ autoelektroniikan kehityksen eri vaiheista. Kokenut kumppani ymmärtää luotettavuus- ja laatuvaatimukset varmistaakseen, että kaikki edistyneet lisäominaisuudet toimivat päivästä toiseen koko ajoneuvon eliniän.

Toshiban jatkuva sitoutuminen edistyneeseen piisuunnitteluun kiteytyy TB9111FT-piirissä, joka hyödyntää uusia piiprosesseja ja pakkaustekniikoita, jotka tarjoavat käyttäjille vahvan kilpailuedun.

 

Viite1): https://www.visualcapitalist.com/millions-lines-of-code/

 

 

ETNtv

Watch ECF videos

Korteilla vauhtia IoT-kehitykseen

Sulautetun laitteen kehitys onnistuu useimmiten helpoiten valmiiden moduulien avulla. Nykyään niitä saa myös tehokkailla Apollo Lake -sarjan prosessoreilla varustettuna.

Lue lisää...

Suomen suurin valtti kybersodassa on luottamus

Teknologia19 – Aalto-yliopiston kyberturvallisuusprofessori Jarno Limnéll uskoo, että luotettavuudesta voi tulla suomalaisten yritysten suurin myyntivaltti tulevaisuudessa. – Tärkein kysymys on tulevaisuudessa, kehen ja mihin voimme luottaa. Luottamuksesta on tulossa hyvin arvokas aineeton pääoma yrityksille, Limnéll sanoi eilen messukeskuksessa.

Lue lisää...

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

NEWSFLASH

Ciklum, established in 2002, is a custom product engineering company with a global presence across 15 countries in 3 continents. We specialize in crafting bespoke digital solutions that push boundaries and transform industries, including full-scale IoT solutions. Whether it's cutting-edge embedded systems, data architecture or IoT, we seamlessly integrate our solutions into your existing infrastructure.

 

 

Check Point Software Technologies Ltd. is a leading provider of cyber security solutions to corporate enterprises and governments globally. Check Point Infinity’s portfolio of solutions protects enterprises and public organisations from 5th generation cyber-attacks with an industry leading catch rate of malware, ransomware and other threats.

 

 

 

AcalBfi is a leader in the development of custom technology solutions for electronic applications. Our engineers and our approach will ensure we can solve your technical challenges with custom solutions that integrate multiple technologies.

 

Analog Devices, Inc. is a global semiconductor leader that bridges the physical and digital worlds to enable breakthroughs at the Intelligent Edge. ADI combines analog, digital, and software technologies into solutions that help drive advancements in digitized factories, mobility, and digital healthcare, combat climate change, and reliably connect humans and the world.

 

EBV Elektronik was founded in 1969 and is one of the leading specialists in European semiconductor distribution. This success is based on the underlying company philosophy, which was developed a long time ago and which still applies today: operational excellence, flexibility, reliability and execution – with the goal of achieving the highest degree of customer satisfaction. 

  

The Rohde & Schwarz technology group develops, produces and markets a wide range of electronic capital goods. With its extensive product portfolio, the company makes an important contribution to a safer and connected world. In the test & measurement, secure communications, networks & cybersecurity and broadcast & media markets, customers worldwide rely on Rohde & Schwarz and its cutting-edge solutions.

 

 

 

Mespek is an industrial electronics company. Our main product areas are embedded modules, industrial computing, test & measurement modules and server management systems (KVM-switches). Besides our domestic customers we have clients also in several countries such as Benelux, China, Estonia, Ireland, Norway, Russia, Sweden, Switzerland, et cetera..

 

We offer unique and cost-effective customized solutions based on electronic components and systems, as well as standard products from selected manufacturers. We also have own production company for electronics and cabling in Sweden. We have 90 years of experience, deep engagement, knowledge together with trustworthy and effective logistics worldwide. We are ISO 9001 and ISO 14001 certificated.

 

Richardson RFPD, an Arrow Electronics Company, is an electronic component distributor focused on RF and Wireless Communications, industrial IoT, Power Conversion and renewable energy markets. With our global reach and extensive technical capability, we serve our customers through component development and selection, technical support, and world-class logistics and supply chain capabilities. Whether designing with discrete components or looking to take advantage of integrated circuits or systems RichardsonRFPD’s worldwide design centers and technical sales team provide comprehensive support to bring your product ideas to market.

u‑blox is a global technology leader in positioning and wireless communication in automotive, industrial, and consumer markets. Their smart and reliable solutions, services and products let people, vehicles, and machines determine their precise position and communicate wirelessly over cellular and short range networks. With a broad portfolio of chips, modules, and secure data services and connectivity, u‑blox is uniquely positioned to empower its customers to develop innovative and reliable solutions for the Internet of Things, quickly and cost‑effectively.

KYOCERA AVX is a leading global manufacturer of advanced electronic components, including antennas, fuses, capacitors, filters, couplers and RF switches, engineered to accelerate technological innovation and build a better future. Supplying more than one million antennas per day, KYOCERA AVX is an industry-leading supplier of innovative antenna solutions, covering all major frequency bands and applications. KYOCERA AVX antennas utilize a wide array of materials -including LDS, stamped metal, ceramic, PCB, and FPC- to support a variety of custom and standard configurations (external indoor/outdoor, embedded on/off-board).

 

 





ECF template