Hur man garanterar fordonssäkerhet med hjälp av induktorer med hög tillförlitlighet

Avancerade förarassistanssystem (ADAS) och automatiserade körsystem (ADS) är säkerhetskritiska autonoma körsystem för fordon som består av en eller flera avancerade processorer som fattar kritiska beslut baserat på indata från en mängd sensorer. Processorerna arbetar vanligtvis med olika låga spänningsnivåer men kan dra ström i det tvåsiffriga ampereområdet (A).

Integrerade kretsar för effekthantering (PMIC) används för att leverera flera spänningar till processorerna, men de kräver induktorer med hög tillförlitlighet för att garantera en stabil strömförsörjning. Induktorerna måste kunna hantera stora strömmar med låga effektförluster vid effektswitchningsfrekvenser på upp till 10 MHz. Induktorerna måste även vara volymeffektiva med ett litet format och en låg profil på kretskortet. Precis som alla komponenter i autonoma körsystem måste de uppfylla de strikta tillförlitlighets- och säkerhetsstandarder som fordonsindustrin kräver, som t.ex. AEC-Q200.

Artikeln beskriver kortfattat bearbetningskraven för ADAS/ADS. Därefter presenteras induktorer från TDK som har konstruerats särskilt för denna tillämpning och visar hur deras unika egenskaper kan bidra till att säkerställa en robust och säker fordonsdesign.

Autonoma körsystem

Ett typiskt ADAS/ADS använder en specialiserad processor med gränssnitt för flera sensorer för att fatta de snabba beslut som krävs vid autonom körning (figur 1).

Figur 1: Processorn i ett ADAS/ADS behöver tillförlitlig lågspänningsförsörjning vid höga strömnivåer, vilket tillhandahålls av en PMIC för att kunna styra fordonet baserat på indata från sensorer. (Bildkälla: EPCOS-TDK)

Spänningsmatningen för dessa processorer är i allmänhet låg, ca 1 V, men strömnivåerna kan uppgå till 10-tals A, vilket utsätter PMIC:en för påfrestningar. Den sekundära omvandlaren i figur 1 använder åtta effektinduktorer med PMIC för att leverera ström till processorn.

Effektinduktorer är passiva enheter som lagrar energi i sina elektromagnetiska fält och används ofta i strömförsörjningskretsar och DC/DC-omvandlare. Effektinduktorerna används med PMIC som step-down- eller buck-omvandlare och är viktiga komponenter som påverkar prestandan i effektomvandlingsprocessen (figur 2).

Figur 2: En förenklad schematisk bild av en enkel buck-omvandlare visar effektinduktorns roll. (Bildkälla: EPCOS-TDK)

En buck-omvandlare producerar en utspänning som är lägre än inspänningen. I en buck-omvandlare placeras en omkopplare i serie med inspänningskällan (V_IN). Inspänningskällan matar utspänningen via omkopplaren och ett lågpassfilter. Filtret är implementerat med en effektinduktor och en kondensator på utspänningen. I ett stationärt driftläge när omkopplaren är på under en period av T_ON driver inspänningen, utspänningen, liksom effektinduktorn. Under denna T_ON-period tillämpas skillnaden i spänningsnivåer mellan V_IN och utspänningen (V_OUT) på induktorn i framåtriktad riktning, vilket visas av pilen "omkopplare på". Induktorströmmen (I_L) stiger linjärt till I_peak.

När omkopplaren är av (T_OFF) fortsätter induktorströmmen att flöda i samma riktning tack vare den lagrade energin från induktorn som fortsätter att leverera ström till lasten via kommuteringsdioden, vilket illustreras av pilen "omkopplare av". Under perioden T_OFF matas induktorn med utspänningen V_OUT i motsatt riktning och induktorströmmen minskar från toppvärdet I_peak. Detta resulterar i en triangulär rippelström. Storleken på rippelströmmen är relaterad till induktansen hos effektinduktorn. Induktansen är i allmänhet inställd så att den ger en rippelström på 20-30 % av den nominella utströmmen. Utspänningen kommer att vara proportionell mot omkopplarens arbetscykel.

Om belastningen plötsligt ökar kommer utspänningen att sjunka, vilket leder till en onormalt stor toppström genom effektinduktorn under en kort tid för att ladda utspänningens kondensator. Värdet på effektinduktorn påverkar omvandlarens transientrespons: små induktorvärden påskyndar återhämtningstiden och större värden ökar återhämtningstiden.

I fordonsmiljön måste dessa induktorer uppfylla mycket höga elektriska och mekaniska krav. Den främsta av dessa är hög tillförlitlighet. Tillförlitligheten och kvaliteten hos passiva komponenter som är avsedda för användning i fordon godkänns enligt standarder som fastställts av Automotive Electronics Council (AEC). Passiva komponenter är godkända enligt AEC-Q200, den globala standard för påfrestningstålighet som alla passiva elektroniska komponenter måste uppfylla om de är avsedda för användning inom fordonsindustrin. Testerna omfattar beständighet mot stötar, vibrationer, fukt, lösningsmedel, lödvärme, böjning av kretskort och elektrostatisk urladdning (ESD). Testerna omfattar även temperaturtester från -40 °C till +125 °C, med exponering för extrema temperaturer och termiska cykler.

För fordonstillämpningar måste induktorerna ha kompakta mått och kunna arbeta över det förväntade temperaturområdet. Den senare egenskapen kräver låg serieresistans för att minimera effektförlust och temperaturökning. Induktorerna måste även kunna arbeta vid effektswitchningsfrekvenser i intervallet 2 till 10 MHz som vanligtvis används av PMIC, och även kunna hantera höga transienta belastningar med möjlighet till höga mättnadsströmmar.

Effektinduktorer som konstruerats för fordonsindustrin

Effektinduktorerna i serien CLT32 från EPCOS-TDK är konstruerade för ADAS-/ADS-tillämpningar och har hög tillförlitlighet, höga märkströmmar, låg serieresistans, höga mättnadsströmmar och liten storlek (figur 3).

Bild 3: Effektinduktorerna i serien CLT32 från TDK har en konstruktion med spole/anslutning i ett stycke som använder en tjock kopparlindning utan interna anslutningar. Det magnetiska gjutmaterialet ger en mjuk mättnadskaraktäristik. (Bildkälla: EPCOS-TDK)

Effektinduktorerna CLT32 är uppbyggda kring en tjock kopparspole i ett stycke med en inbyggd anslutningskonstruktion. Det innebär att det inte finns några interna anslutningar som kan orsaka otillförlitlig drift. Den tjocka kopparspolen håller även seriemotståndet så lågt som 0,39 mΩ för att minimera effektförlusterna. Det lägre motståndet medför även lägre värmeutveckling vid belastning.

Spolen är överdragen med en nyutvecklad ferromagnetisk plastförening som utgör både spolens kärna och yttre kapsling. Kärnans material har utmärkta elektriska egenskaper, även vid höga temperaturer och i högfrekventa tillämpningar. Särskilt anmärkningsvärda är de låga förlusterna i kärnan. Materialets förmåga att bearbetas vid lågt tryck och låg temperatur minimerar också påfrestningarna på spolen vid tillverkningen.

Kärnans material har en mjuk mättnadsegenskap jämfört med andra järnmaterial. Förändringen i induktans till följd av magnetisk mättnad uttrycks som mättnadsavvikelse och mäts som den procentuella förändringen i induktans (figur 4).

Figur 4: Som svar på magnetisk mättnad uppvisar CLT32-kärnan låg mättnadsavvikelse, vilket ger en mjuk respons. (Bildkälla: EPCOS-TDK)

Materialet i CLT32-kärnan ger märkbart lägre förändring av induktansvärdet på grund av mättnad, särskilt vid högre temperaturer. De erbjuder maximala mättnadsströmmar på upp till 60 A.

Hela induktorn ryms i en kapsling med låg profil och måtten 3,2 x 2,5 x 2,5 mm. Den höga volymeffektiviteten innebär att flera induktorer kan användas utan att man behöver flytta konstruktionen till ett större kretskort. Induktorerna är avsedda för ett temperaturområde på -40 °C till +165 °C. Temperaturområdet överstiger kraven för den maximala testtemperaturen för AEC-Q200 som är 125 °C, som nämnts ovan.

Effektinduktorerna CLT32 från TDK finns med induktansvärden från 17 till 440 nH, vilket visas i tabell 1.

Tabell 1: Här visas de specificerade egenskaperna för effektinduktorerna CLT32 från TDK och deras motsvarande beställningskod. Alla passar i samma kapsling på 3,2 x 2,5 x 2,5 x 2,5 mm med låg profil. (Tabellkälla: EPCOS-TDK)

Med hänvisning till tabellen är R_DC induktorns serieresistans. Observera att den skalar med induktansvärdet på grund av det större antal varv som krävs för högre induktans. I_SAT är mättnadsströmmen baserat på minskningen av induktansvärdet på grund av mättnad, som skalar omvänt mot induktansen. I_temp är den maximala märkströmmen, baserat på temperaturökningen i kapslingen. I_temp skalar också omvänt mot induktansvärdet.

Förlusterna i en effektinduktor inkluderar DC-förluster som är proportionerliga mot spolens serieresistans. Det finns även AC-förluster på grund av skaleffekten, hysteresförluster och virvelströmsförluster. AC-förlusterna på grund av virvelströmmar är relaterade till materialet i kärnan.

Jämfört med alternativa tekniker, som induktorer av tunnfilm eller metallkomposit, uppvisar CLT32-induktorerna lägre effektförlust vid rippelström (figur 5).

Figur 5: CLT32-induktorerna har lägre effektförlust vid rippelström än induktorer av tunnfilm eller metallkomposit. (Bildkälla: EPCOS-TDK)

Låga AC-rippelförluster innebär att högre rippelströmmar kan tolereras, vilket möjliggör lägre kapacitansvärden i DC/DC-omvandlare.

Lägre förluster leder även till en högre verkningsgrad jämfört med andra induktortyper (figur 6).

Figur 6: Jämförelse av prestanda för effektinduktorer i en buck-omvandlare med en utgång, påvisar den högre verkningsgraden hos effektinduktorerna CLT32. (Bildkälla: EPCOS-TDK)

Vid låga belastningar dominerar förlusterna i kärnan, effektinduktorns verkningsgrad. Vid högre belastning minskar verkningsgraden på grund av resistiva förluster. I samtliga fall är effektinduktorerna CLT32 bättre än de alternativa teknikerna.

Sammanfattning

De innovativa konstruktionskoncept som ingår i effektinduktorerna i CLT32-serien från TDK erbjuder mindre storlekar och bättre elektriska prestanda än konkurrerande tekniker samtidigt som de garanterar en högre tillförlitlighet. Deras stora temperatur- och frekvensområde gör dem till perfekta komponenter för användning i nästa generations ADAS-/ADS-konstruktioner.