Toshiba on kehittänyt ajoneuvojen ECU-yksiköitä varten hilaohjainpiirin, joka antaa suunnittelijoille mahdollisuuden luoda auton ydintoimintojen ohjausta varten yhtenäisen alustan, jota voidaan mukauttaa monenlaisiin kuormiin ja toiminnallisiin turvavaatimuksiin komponenttien valinnan ja ohjelmallisen konfiguroinnin avulla. Ohjainpiiri TB9084FTG kuroo umpeen kuilun vähimmäistoimintoja vaativien piirien ja erittäin monimutkaisten, turvakriittisten osien välillä.

Ajoneuvojen kehittyessä mekaanisista koneista elektronisiksi ekosysteemeiksi erilaisten toimintojen suorittamiseen tarvittavien sähkömoottorien lukumäärä on kasvanut. Nykyajan autot käyttävät sähkömoottoreita lukuisissa korielektroniikan eri laitteissa: sähkökäyttöisissä liukuovissa, takaluukun tai tavaratilan automaattisissa avausjärjestelmissä sekä konepellin alla muun muassa vesipumpuissa, öljypumpuissa ja jäähdytyspuhaltimissa.

Tämä muutos on myös johtanut perinteisten harjallisten moottorien korvaamiseen harjattomilla tasavirtamoottoreilla eli BLDC-moottoreilla (brushless DC motor), joita suositaan niiden pitkän käyttöiän, energiatehokkuuden ja hiljaisen käyntiäänen vuoksi. Tämä siirtymä kuitenkin monimutkaistaa auton elektronisten ECU-ohjausyksiköiden suunnittelua, sillä niiden on oltava riittävän kestäviä sietämään ajoneuvojen ankaria ympäristöoloja, mutta samalla riittävän joustavia mukautumaan kehittyviin järjestelmävaatimuksiin. Tämän haasteen ydin piilee ECU-yksikön arkkitehtuurissa.

ECU-arkkitehtuurin kompromissit

Historiallisesti suunnittelijoiden on täytynyt valita pitkälle integroitujen (Hard logic) anturittomien ja erilliskomponenteista koostuvien (Independent components) anturillisten ratkaisujen välillä, joilla molemmilla on ollut omat kompromissinsa (kuva 1).

Kuva 1. Kolme erityyppistä ECU-yksikön rakennetta sekä niiden edut ja haitat.

Integroitu kokoonpano, jossa moottorin ohjausta hoitaa erillinen piirilogiikka, tarjoaa etuja sekä koon että kustannusten suhteen. Tästä lähestymistavasta yleensä kuitenkin puuttuu riittävä suunnittelun joustavuus. Jos järjestelmävaatimukset muuttuvat – esimerkiksi moottori vaatiikin suurempaa ohjausvirtaa – koko ratkaisu on ehkä vaihdettava, mikä voi helposti johtaa koko ohjausyksikön uudelleensuunnitteluun.

Toinen lähestymistapa on käyttää mikro-ohjainta, jossa on mukana sisäiset tehoasteet. Tämän kokoonpanon katsotaan yleensä tarjoavan parhaan tasapainon etujen ja haittojen kesken. Mikro-ohjaimen laskentakapasiteetti on kuitenkin melko rajallinen. Jos järjestelmävaatimukset kehittyvät ja ylittävät tämän kapasiteetin, tarvittavat muutokset suunnitteluun ovat yleensä huomattavan suuria.

Kolmas lähestymistapa on käyttää diskreettiä kokoonpanoa, jossa mikro-ohjain, hilaohjain, teholähde ja MOSFETit ovat erillisiä komponentteja. Jos tehovaatimukset kasvavat, tässä kokoonpanossa ainoastaan MOSFETit täytyy päivittää, joten logiikka- ja ohjausarkkitehtuuri pysyvät ennallaan. Vaikka tällä rakenteella on haittoja komponenttien koon ja kustannusten suhteen, se tarjoaa erinomaista joustavuutta.

Toshiba on vastannut näihin arkkitehtuurin haasteisiin hilaohjainpiirillä TB9084FTG, joka kuroo umpeen kuilun vähimmäistoimintoja vaativien piirien ja erittäin monimutkaisten, turvakriittisten osien välillä. Piiri mahdollistaa järjestelmän suunnittelijoille diskreetin lähestymistavan suunnittelun joustavuuden säilyttämiseen ja samalla koon pienentämiseen integroinnin ansiosta.

Optimoidut ominaisuudet

Ajoneuvojärjestelmien suunnittelun joustavuutta ei usein saavuteta lisäämällä ominaisuuksia, vaan optimoimalla ne sopimaan käyttötapausten laajaan kirjoon (kuva 2). TB9084FTG-piirin suunnittelufilosofia korostaa monipuolisuutta. Tämä erottaa sen muista samankaltaisista piireistä, kuten TB9081FG:stä, jossa on täysi toiminnallisuus sähköisen ohjaustehostimen (EPS) osalta ja joka tukee ASIL-D-turvastandardeja. Minimalistinen lähestymistapa ei kuitenkaan tarkoita puutteita piirin toimintakyvyssä.

Kuva 2. TB9084FTG-piirin sisäinen lohkokaavio ja esimerkit ulkoisista sovelluspiireistä.

TB9084FTG-piiri sisältää varauspumpun, joka varmistaa riittävän suuren jännitteen ulkoisten N-kanavaisten MOSFETien ohjaamiseen, vaikka akun jännite vaihtelisi. Se ohjaa moottorin vaatimia kolmivaiheisia FET-transistoreja ja sisältää myös lisäkanavan niiden suojaamiseen käänteiseltä napaisuudelta. Tämä RPP-suojaus (Reverse Polarity Protection) korostaa piirin järjestelmätason joustavuutta varmistamalla, että väärin kytketyn akun tapauksessa käänteinen virta katkaistaan, mikä suojaa koko järjestelmää.

Lisäksi varauspumppu varmistaa, että ylemmän puolen hilaohjain ylläpitää vakaata lähtöjännitettä ja lukittuu tietyille tasoille, kun akun jännite on riittävä. Se myös päästää varauspumpun tuottaman jännitteen läpi silloin, kun akun jännite on pudonnut liian alhaiseksi.

Konfiguroitavuus SPI:n kautta

Järjestelmäsuunnittelun todellinen joustavuus saavutetaan, kun laitteiston toimintaa voidaan muokata ohjelmiston avulla. Toisin kuin jäykät, pelkästään rautaan perustuvat ohjaimet, tämä integroitu mikropiiri sisältää sarjamuotoisen SPI-oheisliitännän, joka toimii siltana ohjaimen ja isäntä-MCU:n välillä. SPI:n avulla järjestelmän suunnittelija voi dynaamisesti konfiguroida tavan, jolla ohjain reagoi erilaisiin käyttöolosuhteisiin ja siirtää loogiset päätökset piitasolta ohjelmallisesti konfiguroitaviin asetuksiin.

Piirissä on esimerkiksi useita poikkeavien tilanteiden tunnistukseen tarkoitettuja toimintoja, mm. yli- ja alijännitteen tunnistus sekä sammutus ylikuumenemisen vuoksi. SPI-rekisterien avulla suunnittelija voi päättää, laukaiseeko tietty vika lukitustilan, jolloin järjestelmä sammuu manuaaliseen uudelleenkäynnistykseen asti, vai automaattisen palautumistilan, jolloin toiminta jatkuu vian poistuttua.

Ylijännitteen havaitsemista varten järjestelmä voidaan ohjelmoida poistamaan tunnistus kokonaan käytöstä, jatkamaan toimintaa ja antamaan virheilmoitus tai sammuttamaan hilaohjaimet. Vastaavasti reagointi ylilämpötapahtumiin voidaan mukauttaa, jolloin järjestelmä voi joko sammua kokonaan tai jatkaa toimintaansa varoituksen aikana sovelluksen kriittisyydestä riippuen.

Tämä ohjelmallisesti määritelty toiminta ulottuu ulkoisten MOSFETien suojaukseen. Nielu-lähde-jännitteen tunnistuspiiri valvoo jännitehäviötä ylemmän ja alemman haaran FETien yli oikosulkujen tai muiden vikojen tunnistamiseksi. Suunnittelijat voivat käyttää SPI-liitäntää asettaakseen tunnistukselle tiettyjä kynnysjännitteitä ja peiteaikoja estäen näin väärät hälytykset kytkentätransienttien aikana. Näitä parametreja säätämällä sama hilaohjainpiiri voidaan virittää toimimaan eri moottorien ja MOSFETien kanssa eri ajoneuvoalustoilla.

Fyysinen sopeutumiskyky ja luotettavuus

Nykyaikaisten ajoneuvojen suunnittelutyön fysikaaliset rajoitukset edellyttävät myös joustavuutta osien koteloinnin ja ympäristökestävyyden suhteen. Koska ECU-yksiköt on ahdettu ahtaisiin tiloihin ovipaneeleissa ja moottoritilassa, fyysisen koon minimointi on olennaista. Kompaktiin 6x6 millimetrin P-VQFN36-koteloon pakattu TB9084FTG-piiri auttaa kutistamaan ohjausyksikön kokoa.

Pienestä koostaan huolimatta piirikotelo on suunniteltu erittäin luotettavaksi, ja juotosprosessia varten siinä on reunoilta kostuva (wettable flank) liitosnastojen rakenne. Tämä suunnittelun elementti on kriittisen tärkeä autoteollisuudelle, sillä se mahdollistaa juotettujen liitosten optisen tarkastuksen (AOI) ja varmistaa liitosten eheyden ilman kallista röntgentarkastusta.

Piiri on myös hyväksytty standardin AEC-Q100 Grade 0 mukaisesti, mikä takaa varman toiminnan lämpötila-alueella -40...+175°C. Tämä laaja käyttölämpötila-alue antaa suunnittelijoille joustavuutta sijoittaa ohjausyksikkö myös korkean lämpötilan vyöhykkeille konepellin alle tai mekaanisesti integroituihin moottorikoteloihin sen sijaan, että sijoittaminen rajoittuisi vain ohjaamon viileämpiin tiloihin.

Tarkka valvonta ja diagnostiikka

Lisäksi joustavuutta tukevat piirin hyvin tarkat analogiaominaisuudet, joiden avulla ECU-yksikkö voi valvoa moottorin suorituskykyä tarkasti. TB9084FTG integroi virta-anturivahvistimen eli CSA-vahvistimen (Current Sense Amplifier) moottorin läpi kulkevan virran valvomiseksi. Tämä vahvistin sisältää kalibrointitoiminnon, joka korjaa tulojännitteen offset-arvon ±1mV tarkkuudella vakio-olosuhteissa.

CSA-vahvistimen vahvistusta voidaan säätää SPI-väylän kautta, minkä ansiosta järjestelmä voi mukautua erikokoisiin shunttivastuksiin ja virta-alueisiin. Tämä varmistaa, että mikro-ohjain saa tarkkaa palautetta moottorin ohjausalgoritmeja varten, olipa kyseessä sitten pieni tuuletin tai tehokas pumppu.

Yksityiskohtaisten tilarekisterien sisällyttäminen antaa mikro-ohjaimelle mahdollisuuden diagnosoida erityisiä vikoja, kuten erottaa toisistaan datansiirtovirheet, lämpötapahtumat ja jännitepoikkeamat. Tämä kyky syvään diagnostiikkaan antaa mahdollisuuden tehdä älykkäitä päätöksiä, kuten yrittää uudelleen tai välittää hälytys kuljettajalle. Tämä lisää ajoneuvon koko arkkitehtuurin joustavuutta.

Joustavuus leikkaa kehitysaikaa ja kuluja

Ajoneuvolaitteiden järjestelmäsuunnittelun joustavuuden tarve johtuu viime kädessä halusta vähentää järjestelmän kehitysaikaa ja suunnittelukustannuksia samalla, kun tavoitteena on maksimoida teknisten resurssien uudelleenkäyttö. Jäykkä, pitkälle integroitu ratkaisu voi ratkaista tietyn ongelman tehokkaasti, mutta siitä tulee haittapuoli spesifikaatioiden kehittyessä.

Sitä vastoin TB9084FTG:n kaltainen ratkaisu antaa suunnittelijoille mahdollisuuden luoda ydintoiminnoille ECU-alusta, jota voidaan mukauttaa monenlaisiin kuormiin ja toiminnallisiin turvavaatimuksiin komponenttien valinnan ja ohjelmallisen konfiguroinnin avulla.