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.

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/