JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi. ECF

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/

 

 

 

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...

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...
 
 
ETN_fi Design is a crucial part of Nokia phones. See: Muotoilu tekee Nokia-puhelimen https://t.co/7jA68JT30v @HMDGlobal @miika_mahonen
ETN_fi Where there is code, there are vulnerabilities. https://t.co/gcjwCunTE1 @TrendMicro @rik_ferguson
ETN_fi DDR5 is here. SK hynix Launches World’s First DDR5 DRAM https://t.co/CV5gLNFlwX
ETN_fi Secure IoT devices, anyone? https://t.co/YHdIWCDsF4 @Infineon
ETN_fi RT @Farnell_Avnet: Our easyE4 control relays from can be used in many different projects to meet your requirements for a flexible, modular…


Sponsors


congatec is a leading supplier of industrial computer modules using the standard form factors COM Express, Qseven and SMARC as well as single board computers and EDM services. congatec’s products can be used in a variety of industries and applications, such as industrial automation, medical, entertainment, transportation, telecommunication, test & measurement and point-of-sale.



Presentors


We offer custom, cost-effective solutions to help you fulfil your project. With our wealth of technology expertise, we can provide expert technical support and guidance at every stage of your design.



AFRY (previous ÅF Pöyry) offers customized SW, HW and mechatronics services to the embedded and industrial IoT-markets. Based on your needs we deliver requirement specification, design, implementation, manufactured product and maintenance for your intelligent and connected systems. AFRY has many years' experience in providing air-born products with high demands on quality and traceability, robust end-to-cloud solutions as well as cost-efficient end user products. We also provide expert consultants.



Exhibitors


DATA MODUL stands behind its claim as a worldwide leading supplier of professional “visual solutions” and is a reliable premier choice partner in the areas of display, touch, embedded and monitor solutions.



Kontron is a global leader in embedded computing technology (ECT). As a part of technology group S&T, Kontron offers a combined portfolio of secure hardware, middleware and services for Internet of Things (IoT) and Industry 4.0 applications. With its standard products and tailor-made solutions based on highly reliable state-of-the-art embedded technologies, Kontron provides secure and innovative applications for a variety of industries.




Rutronik has developed from a “one-man-company” into one of the worldwide leading broadline distributors, employing more than 1,600. In the electronic components market, Rutronik currently ranks 11th worldwide and is the third largest European distributor. The product range includes semiconductors, passive and electromechanical components as well as embedded boards, storage technologies, displays and wireless products.





ECF template