De voertuigen van de toekomst krijgen steeds meer technologie

Vroeger vormden elektronische systemen maar één procent van de totale waarde van auto's. Vandaag de dag hebben de vraag van de consument naar meer technologie en de toegenomen technologische mogelijkheden ertoe geleid dat het aantal elektronische besturingseenheden (electronic control units, ECU's) dat nodig is in een auto omhoog is geschoten. Er kunnen op dit moment bijvoorbeeld maar liefst 100 ECU's en tot 100 miljoen regels code nodig zijn in een luxe auto, wat veel meer is dan in eerdere auto's en het bewijs vormt van het belang van ECU's voor de uitrusting van een auto.

Elektriciteit voedt steeds meer geavanceerde elektronica en vormt de brandstof voor hybride (HEV) en elektrische (EV) auto's zodat de CO₂-uitstoot vermindert omdat elektronische systemen handbediende en gemotoriseerde componenten vervangen. Dit alles zorgt ervoor dat de toekomst van het autorijden er totaal anders uit zal zien dan nu. HEV's met geoptimaliseerde emissie en zelfrijdende EV's zonder uitstoot communiceren binnen de systemen van de auto's en met de infrastructuur van steden en wegen, maar ook met andere voertuigen. Het whitepaper van Texas Instruments (TI), “Driving the Green Revolution in Transportation”, gaat nader in op de voordelen van HEV's en EV's.

Er zijn diverse belangrijke factoren die voor een sterke toename in de vraag naar HEV's en EV's door consumenten zorgen:

• De druk van milieumaatregelen op verbrandingsmotoren
• Technologische vooruitgang van elektrische aandrijflijnen en accu's
• De verwachtingen die de consument heeft van functies die voor gemak en infotainment zorgen

Er is één beperkende factor: de vermogensbeperkingen van de traditionele 12V loodzuuraccu staan onder druk door de toenemende vermogenseisen van deze innovaties. De auto-industrie heeft een oplossing bedacht om te kunnen voldoen aan deze toenemende vraag naar elektrificatie. Ze hebben een secundair elektrisch systeem van 48 V ontwikkeld dat meer vermogen levert dan een traditionele 12V-accu alleen kan produceren. Voor deze hoogspanningssystemen is echter uitgebreide isolatie nodig voor de veiligheid en isolatiecontrole om automobilisten en passagiers te beschermen tegen elektrische schokken en uitval van de systeemveiligheid te voorkomen.

TI biedt een groot aantal oplossingen en ontwerphulpen om deze ontwerpproblemen te overwinnen en een veiliger en efficiënter transportsysteem mogelijk te maken. Hieronder staat een selectie van enkele van die onderdelen en referentieontwerpen.

TIDA's – Texas Instruments referentieontwerpen

TIDA-03040 – Automotive referentieontwerp voor ±500 A precisie-stroomdetectie met shuntweerstand: dit referentieontwerp voor stroomdetectie met shuntweerstand van TI (Afbeelding 1) biedt een nauwkeurigheid van < 0,2% FSR over het hele bedrijfstemperatuurbereik van -40°C tot +125°C. Voor een groot aantal automotive-toepassingen, zoals accubeheersystemen, motorstroom en dergelijke, is precieze stroomdetectie nodig. Een slechte nauwkeurigheid kan in dit soort toepassingen gewoonlijk het resultaat zijn van non-lineariteit, temperatuursveranderingen en toleranties van de shuntweerstand. Die problemen worden opgelost in dit ontwerp, door de stroomshuntmonitors (INA240) en signaalvormers (PGA400-Q1) van TI te gebruiken.

Afbeelding 1: Blokschema van referentieontwerp TIDA-03040 van Texas Instruments voor een automotive ±500 A precisie-stroomsensor met shuntweerstand. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

TIDA-03050 - Automotive referentieontwerp stroomshuntsensor voor mA-tot-kA-bereik: In dit referentieontwerp wordt een shuntweerstand met rail gebruikt om stromen in het mA tot kA-bereik te detecteren. Door de steeds toenemende vraag van de accu's met hoge capaciteit van EV's en HEV's zijn er bredere bedrijfsstroombereiken en zeer nauwkeurige stroomsensoren nodig voor de bewaking. Nauwkeurig stroom meten over zo'n groot bereik (mA tot A, 1 A tot 100 A en 100 A tot 1000 A) is een behoorlijke uitdaging, omdat er een grote hoeveelheid systeemruis is. Om dat probleem op te lossen gebruikt dit ontwerp een analoog-naar-digitaal-converter (ADC) met hoge resolutie en stroomshuntmonitors met hoge nauwkeurigheid.

TIDA-01604 - Referentieontwerp met 98,6% efficiëntie, 6,6-kW Totem-Pole PFC voor HEV/EV onboard-lader: Siliciumcarbide (SiC) MOSFET's aangedreven door een C2000 MCU met SiC-geïsoleerde gatedriver is de basis van dit referentieontwerp (Afbeelding 2). In dit ontwerp is driefasen-interleaving verwerkt, dat in continue geleidingsmodus (CCM) werkt met een efficiëntie van 98,46% bij een input van 240 V en 6,6 kW vol vermogen. De lage belastingsvermogenfactor wordt verbeterd door de fasescheiding en adaptieve deadtime-controle die de C2000 MCU mogelijk maakt. De gatedriverkaart (zie TIDA-01605, dat hierna wordt besproken) kan een bronstroom van 4A en een piek-zinkstroom van 6 A leveren, met een ingebouwde versterkte isolatie en is geschikt voor meer dan 100 V/ns common-mode transiënte immuniteit (CMTI). De gatedriverkaart bevat ook een tweelaags uitschakelcircuit die de MOSFET beschermt tegen spanningsoverschrijding als er kortsluiting optreedt.

Afbeelding 2: Het TIDA-01604-referentieontwerp van Texas Instruments voor een HEV/EV onboard-lader. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

TIDA-01605 - Automotive referentieontwerp tweekanaals SiC MOSFET gatedriver met tweelaags uitschakelbeveiliging: Dit referentieontwerp van TI bevat een voor automotive geschikte geïsoleerde gatedriver-oplossing voor het aandrijven van SiC MOSFETs in een halfbrugconfiguratie. Er zijn twee push-pull voorspanningen voor de tweekanaals geïsoleerde gatedriver in dit ontwerp inbegrepen, waarbij iedere voorspanning uitgangsspanningen van +15 V en -4 V kan leveren en een uitgangsvermogen van 1W. Zoals eerder opgemerkt kan deze gatedriver een bronstroom van 4 A en een piek-zinkstroom van 6 A leveren. De versterkte isolatie is bestand tegen 8 kV piek- en 5,7 kV RMS isolatiespanning en heeft een CMTI van >100 V/ns. Ook is al eerder opgemerkt dat deze kaart een tweelaags uitschakelcircuit heeft dat de MOSFET beschermt tegen spanningsoverschrijding als er kortsluiting optreedt. Dit ontwerp heeft een configureerbare DESAT-detectiedrempel en vertragingstijd voor uitschakeling in de tweede fase. Voor het doorgeven van de storings- en resetsignalen wordt een ISO7721-Q1 digitale isolator gebruikt. Dit referentieontwerp past in zijn geheel op een tweelaags printplaat met een compacte vormfactor van 40 x 40 mm.

TIDA-01168 - Referentieontwerp van een bidirectionele DC-DC-converter voor 12 V/48 V automotive-systemen: Dit referentieontwerp werkt als een 4-fasig, bidirectioneel DC-DC-converterontwikkelingsplatform voor 12 V/48 V automotive-systemen. Het systeem gebruikt een TMS320F28027F MCU en twee LM5170-Q1 stroomregelaars voor vermogenstrapregeling. De C2000 MCU levert spanningsfeedback terwijl de LM5170-Q1-subsystemen gemiddelde stroomfeedback gebruiken voor stroomregeling. Het gebruik van dit regelschema elimineert het balanceren van de fasestroom dat kenmerkend is voor meerfasige converters. Op LM5170-Q1 gebaseerde systemen is een hoog niveau van integratie mogelijk, voor minder PCB-ruimte, een eenvoudiger ontwerp en een snellere ontwikkeling.

Producten

ISO7731-Q1: De apparaten uit de ISO773x-Q1-familie zijn hoogwaardige driekanaals digitale isolatoren met 5.000 VRMS (DW-pakket) en 3000 VRMS (DBQ-pakket) isolatiewaarden per UL 1577. Deze familie heeft versterkte isolatiewaarden volgens CQC, CSA, TUV, en VDE. Deze apparaten bieden een hoge elektromagnetische immuniteit met lage emissies bij laag vermogen terwijl ze digitale CMOS- of LVCMOS-I/O's isoleren. De logische in- en uitgangsbuffers worden gescheiden door een isolatiebarrière van siliciumdioxide (SiO₂) in ieder isolatiekanaal. Er kunnen apparaatinschakelpinnen worden gebruikt om de respectieve uitgangen in hoge impedantie te zetten voor multi-master aandrijving van toepassingen en een lager energieverbruik. Het ISO7730-Q1-apparaat heeft alle drie de kanalen in dezelfde richting, terwijl het ISO7731-Q1-apparaat twee vooruit gerichte kanalen en één achteruit gericht kanaal heeft. Als de ingangsvoeding of het ingangssignaal verloren gaat, is de standaarduitgang laag voor apparaten met suffix "F" en hoog voor apparaten zonder suffix "F".

UCC21520-Q1: Dit apparaat is een geïsoleerde dubbelkanaals gatedriver (Afbeelding 3). Het heeft een bronstroom van 4 A en een piek-zinkstroom van 6 A. Het is ontworpen om MOSFET's, SiC MOSFET's en IGBT's aan te drijven tot 5 Mhz, met lage propagatievertraging en pulsbreedtevervorming. De ingangszijde en de twee uitgangsdrivers zijn geïsoleerd met een met 5,7 kVRMS versterkte isolatiebarrière, met een minimum van 100 V/ns CMTI. Er wordt een werkspanning tot 1500 VDC toegelaten door intern functionerende isolatie tussen de twee drivers aan de secundaire zijde. Dankzij het ontwerp van dit apparaat kan iedere driver worden geconfigureerd als twee low-side drivers, twee high-side drivers of een halfbrugdriver met programmeerbare deadtime (DT). Beide uitgangen worden tegelijkertijd afgesloten met een uitschakelpin, die normale werking toelaat wanneer deze open wordt gelaten of wordt geaard. Logicastoringen aan de primaire zijden forceren beide uitgangen op laag als faalveilige maatregel.

Afbeelding 3: Functioneel blokschema van de UCC21520-Q1 geïsoleerde dubbelkanaals gatedriver van Texas Instruments. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

UCC21222-Q1: Deze geïsoleerde tweekanaals gatedriver met programmeerbare deadtime en breed temperatuurbereik biedt consistente prestaties en stevigheid in extreme temperatuursomstandigheden. De piekbron van 4 A en piekzinkstroom van 6A zijn ontworpen voor het aandrijven van MOSFET, IGBT en GaN-transistors. De UCC21222-Q1 heeft meerdere configuraties: twee low-side drivers, twee high-side drivers of een halfbrugdriver. De vertragingsafstemmingsprestaties van 5 ns maken parallelschakeling van twee uitgangen mogelijk, waardoor de aandrijfkracht onder hoge belasting verdubbelt zonder het risico van interne doorslag. De twee uitgangsdrivers zijn geïsoleerd van de ingangszijde door een met 3,0 kVRMS versterkte isolatiebarrière, met een minimum van 100 V/ns CMTI.

LM5170-Q1: De essentiële hoogspannings- en precisie-elementen van een tweekanaals bidirectionele converter voor 48 V en 12 V dual auto-accusystemen worden ingeschakeld met de LM5170-A1 controller. Dit gebeurt door het gemiddelde stroomdebiet tussen de hoog- en laagspanningspoorten te regelen in de richting die is toegewezen door het DIR-ingangssignaal. Het stroomregelingsniveau wordt geprogrammeerd via de analoge of de digitale PBM-ingangen. De kenmerkende stroomnauwkeurigheid van één procent wordt verkregen door tweekanaals differentiële stroomdetectieversterkers en speciale kanaalstroommonitors. De halfbrug-gatedrivers van 5 A kunnen parallelle MOSFET-schakelaars aandrijven die 500 W of meer per kanaal kunnen leveren. Bovendien voorkomt de diode-emulatiemodus van de synchrone gelijkrichters niet alleen negatieve stromen, maar maakt ook discontinue moduswerking mogelijk voor meer efficiëntie bij lichte belastingen. Er zitten veel beschermingsfuncties in het apparaat, inclusief MOSFET-storingsdetectie, overspanningsbeveiliging op zowel HS- als LS-poorten, cyclus-per-cyclus stroombeperking en overtemperatuurbeveiliging.

INA301-Q1: Dit apparaat heeft zowel een hoge common-mode, stroomdetecterende versterker als een snelle comparator die zijn geconfigureerd om overstroombeveiliging te bieden. Dit gebeurt door de spanning te meten in een stroomdetectie- of stroomshuntweerstand en die te vergelijken met een gedefinieerde drempellimiet. De INA301-Q1 heeft een verstelbaar limietdrempelbereik dat kan worden ingesteld met een enkele externe limiet-instellende weerstand. Deze stroomshuntmonitor meet differentieelspanningssignalen op common-mode spanningen van 0 V tot 36 V, onafhankelijk van de voedingsspanning. De open-drain alarmuitgang kan als optie worden geconfigureerd om te werken in transparante modus, waarin de uitgangsstatus de ingangsstatus volgt, of in een vergrendelde modus, waarin de alarmuitgang wordt opgeheven wanneer de vergrendeling wordt gereset. Een snelle detectie van overstroom is mogelijk door een apparaatresponsietijd op het alarm van minder dan 1 µs.

INA240-Q1: De voor automotive geschikte INA240-Q1 is een stroomgevoelige versterker met spanningsuitgang en verbeterde PBM-rejectie. De versterker kan dalingen in shuntweerstanden meten in een breed common-mode spanningsbereik van -4 V tot 80 V, onafhankelijk van de voedingsspanning. Het voordeel van de negatieve common-mode spanning is dat het apparaat daarmee lager dan de aarde kan werken, wat geschikt is voor de terugslagperiode van typische solenoïdetoepassingen. De verbeterde PBM-rejectie zorgt voor een hoog niveau van onderdrukking voor grote common-mode transiënten (ΔV/Δt) in systemen die PBM-signalen gebruiken, zoals motoraandrijvingen en solenoïde regelsystemen. Dit verzekert nauwkeurige stroommetingen zonder grote transiënten en bijbehorende verhoogde rimpels in de uitgangsspanning. De INA240-Q1 werkt met een enkele voeding van 2,7 V tot 5,5 V en verbruikt maximaal 2,4 mA. Op dit moment zijn er vier vaste versterkingen beschikbaar: 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V, en 200 V/V. Doordat het apparaat is gebouwd met een lage offset en nulverloop, is stroomdetectie mogelijk bij maximale dalingen met een eindwaarde van 10 mV in de shunt. Grade 1-versies worden geleverd in een 8-pins TSSOP- en een 8-pins SOIC-pakket en werken in het uitgebreide temperatuurbereik van –40°C tot +125°C. Grade 0-versies worden alleen geleverd in een 8-pins SOIC-pakket en werken in het uitgebreide temperatuurbereik van –40°C tot +150°C.

AMC1305M05-Q1: Dit is een precisie delta-sigmamodulator (ΔΣ) met een capacitieve dubbele isolatiebarrière die zeer goed bestand is tegen magnetische interferentie omdat de uitgangs- en ingangsschakelingen van elkaar zijn gescheiden (Afbeelding 4). De isolatiebarrière is gecertificeerd voor versterkte isolatie tot 7.000 VPEAK volgens de normen DIN V VDE V 0884-10, UL1577 en CSA. In combinatie met geïsoleerde voedingen voorkomt de AMC1305M05-Q1 dat ruisstromen, die aanwezig kunnen zijn op een lijn met hoge common-mode spanning, de plaatselijke systeemaarde binnenkomen en interfereren met de laagspanningsschakelingen of deze beschadigen. Dit apparaat is geoptimaliseerd voor directe verbinding met shuntweerstanden of andere laagspanningssignaalbronnen en zorgt voor uitstekende AC- en DC-prestaties. Shuntweerstanden detecteren stromen in onboard-laders, tractieomvormers en soortgelijke automotive-toepassingen. Als er een geschikt digitaal filter wordt gebruikt om de bitstroom te decimeren, zoals de filters die in de TMS320F2837x zijn geïntegreerd, kan het apparaat een resolutie van 16 bit bereiken met een dynamisch bereik van 85 dB (13,8 ENOB) bij een datasnelheid van 78 kSPS.

Afbeelding 4:Vereenvoudigde schematische weergave van de AMC1305M05-Q1 precisie delta-sigmamodulator (ΔΣ) van Texas Instruments. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

TMS320F28069M: De voor automotive geschikte F2806x Piccolo-familie MCU's combineren het vermogen van de C28x kern en CLA , gekoppeld met sterk geïntegreerde besturingsrandapparatuur in apparaten met weinig pinnen. De code van deze apparaten is compatibel met eerdere code op C28x-basis, voor een hoog niveau van analoge integratie. Andere kenmerken zijn een interne spanningsregelaar die single-railgebruik mogelijk maakt en verbeteringen aan de HRPWM-module waardoor dual-edgebesturing (frequentiemodulatie) mogelijk is. Bovendien zijn er analoge comparatoren met interne 10-bits referenties toegevoegd die de ePWM-uitgangen direct kunnen besturen. De ADC heeft een interface die is geoptimaliseerd voor lage overhead en lage latentie, converteert een vast maximaal bereik van 0 tot 3,3 V en ondersteunt ratiometrische VREFHI/VREFLO-referenties.

ISO1042-Q1: Dit is een galvanisch geïsoleerde controller area network (CAN) transceiver die voldoet aan de specificaties van de norm ISO11898-2 (2016). De ISO1042-Q1 levert ±70 VDC bus-faultbeveiliging en een common-mode spanningsbereik van ±30 V. Hij ondersteunt een datasnelheid tot 5 Mbps in CAN FD-modus, wat een veel snellere payload-overdracht mogelijk maakt in vergelijking met een klassieke CAN. Er zit een SiO2-isolatiebarrière in dit apparaat met een weerstandspanning van 5.000 VRMS en een bedrijfsspanning van 1.060 VRMS. De elektromagnetische compatibiliteit van de ISO1042-Q1 is aanzienlijk verbeterd om overeenstemming met de eisen voor ESD, EFT, surge en emissies mogelijk te maken op systeemniveau. Als dit apparaat wordt gekoppeld met geïsoleerde voedingen kan het helpen met de bescherming tegen hoogspanning en ruisstromen van de bus die de plaatselijke aarde binnenkomen. De ISO1042-Q1 is verkrijgbaar voor toepassingen met basis- en versterkte isolatie en ondersteunt een breed omgevingstemperatuurbereik van -40°C tot +125°C. Er zijn twee pakketgrootten verkrijgbaar: het SOIC-16 (DW)-pakket en een kleiner SOIC-8 (DWV)-pakket.

Conclusie

De toekomst van de auto-industrie ziet er rooskleurig uit. De ontwerpen worden echter steeds ingewikkelder naarmate er meer functies aan de auto's worden toegevoegd, door milieuvoorschriften en op aanvraag van de consumenten. Om deze functies te kunnen ondersteunen heeft Texas Instruments nu veel verschillende referentieontwerpen en producten beschikbaar die de ontwerptijd kunnen helpen verminderen zodat deze automotive-ontwerpen van de toekomst eerder bij de consumenten komen.