Framtidens fordon kommer att innehålla ännu mer teknik

By Rich Miron

Contributed By Digi-Key Electronics

Tidigare utgjorde elektroniska system så lite som en procent av fordonens totala värde. Men idag har konsumenternas behov av mer teknik och de ökade tekniska funktionerna lett till att antalet elektroniska styrenheter (ECU) som krävs i ett fordon skjutit i höjden. Till exempel kan det krävas så många som 100 ECU:er och upp till 100 miljoner kodrader i en avancerad bil idag – mycket mer än i tidigare bilar och är ett bevis på vikten av ECU:er i en bils uppbyggnad.

El driver i allt högre grad avancerad elektronik och är bränsle för hybridelbilar och elbilar, och minskar samtidigt koldioxidutsläppen, i fordon där elektroniska system ersätter manuella och motoriserade komponenter. Detta gör att framtidens körning ser väldigt annorlunda ut jämfört med dagens transporter. Utsläppsoptimerade hybridelbilar och självkörande, utsläppsfria elbilar kommunicerar i fordonets system och med stads- och väginfrastruktur, utöver med andra fordon. Texas Instruments (TI) rapport ”Driving the Green Revolution in Transportation” (engelska) går in mer i detalj på fördelarna med hybridelbilar och elbilar.

Det finns flera stora faktorer som driver på ökningen av konsumenternas behov av hybridelbilar och elbilar:

  • Skärpta regelkrav för förbränningsmotorer
  • Framsteg i drivline- och batteritekniken
  • Konsumenternas förväntningar på bekvämlighets- och infotainmentfunktioner

Det finns en begränsande faktor, kapacitetsgränsen för det traditionella 12 V-blybatteriet tänjs av de ökade energibelastningskraven hos dessa innovationer. Bilindustrin har tagit fram en lösning för att kunna möta detta ökade behov av elektrifiering. Ett sekundärt 48 V-elsystem har utvecklats, som ger en högre strömförsörjning än ett traditionellt 12 V-batteri kan alstra på egen hand. Men dessa högspänningssystem kräver omfattande isolering för säkerhets- och isoleringskontroll för att skydda förare och passagerare mot elstötar samt undvika att systemsäkerheten kollapsar.

TI har många lösningar och designhjälpmedel för att hantera dessa designutmaningar och skapa säkrare och effektivare transportsystem. Följande är ett urval av några dessa delar och referensdesigner.

TIDA – Texas Instruments-referensdesigner

TIDA-03040 – Referensdesign för shuntbaserad ±500 A precisionsströmsensor för bilar: Denna referensdesign av shuntbaserad strömsensor (figur 1) har < 0,2% FSR precision i temperaturområdet -40 °C till +125°C. Ett antal fordonstillämpningar kräver precisionsströmavkänning, till exempel batterihanteringssystem och motorström. Dålig precision i dessa kritiska tillämpningar kan generellt uppstå på grund av icke-linjäritet, temperaturförskjutningar och shunttoleranser. Dessa problem löses av den här designen med hjälp av TI:s strömshuntövervakare (INA240) och signalreglerare (PGA400-Q1).

Blockschema över Texas Instruments TIDA-03040-referensdesign

Figur 1: Blockdiagram över Texas Instruments TIDA-03040-referensdesign för en shuntabaserad ±500 A precisionsströmsensor för bilar. (Bildkälla: Texas Instruments)

TIDA-03050 – Referensdesign för strömshuntsensor för bilar, mA till kA-intervall: i den här referensdesignen används ett shuntmotstånd av samlingsskentyp för att identifiera ström i mA till KA-intervallet. Det ständigt växande behovet hos elbilar och hybridelbilar på högkapacitetsbatterierna tvingar fram större omfång för funktionsström och strömsensorer med hög precision för att övervaka behovet. Att mäta strömmen korrekt över tre tiotal (mA till A, 1 A till 100 A och 100 A till 1,000 A) är en tuff utmaning eftersom systembruset är omfattande. För att lösa problemet används i den här designen en högupplöst analog-till-digitalomvandlare (ADC) från IT och strömshuntövervakare med hög precision.

TIDA-01604 – Totem-Pole PFC-referensdesign för onboard-laddare för hybridelbil/elbil, 98,6 % effektivitet, 6,6 kW: kiselkarbid (SiC) MOSFET driven av en C2000-MCU med SiC-isolerade gatedrivkretsar är basen för den här referensdesignen (figur 2). Trefas intersekvensering implementeras i den här designen som fungerar i kontinuerligt ledningsläge med 98,46 % effektivitet vid 240 V inspänning och 6,6 kW full effekt. Effektfaktorn för lätt belastning förbättras av fasutjämning och adaptiv dödtidskontroll aktiverad av C2000-MCU:n. Gatedrivkretskortet (se TIDA-01605 nedan) kan ge 4 A källström och sänkström på 6 A vid implementering av förstärkt isolering och som tål mer än 100 V/ns transient Common-Mode-undertryckning (CMTI). Gatedrivkretskortet innehåller även en avstängningskrets med två nivåer som skyddar MOSFET mot spänningsöversläng om det sker en kortslutning.

Bild av Texas Instruments TIDA-01604-referensdesign för onboard-laddare för hybridelbil/elbil

Figur 2: Texas Instruments TIDA-01604-referensdesign för onboard-laddare för hybridelbil/elbil. (Bildkälla: Texas Instruments)

TIDA-01605 – Referensdesign för dubbelkanalig SiC MOSFET-gatedrivkrets för bilar med avstängningsskydd på två nivåer: den här TI-referensdesignen har en fordonskvalificerad isolerad gatedrivkretslösning för att driva SiC MOSFET i en halvbryggkonfiguration. Två Push-Pull-biasströmförsörjningar för den dubbelkanaliga isolerade gatedrivkretsen ingår i den här designen, där varje försörjning kan ge +15 V och -4 V utspänning och en utgångseffekt på 1 W. Som noterat tidigare kan den här gatedrivkretsen ge 4 A källström och 6 A sänkström. Dess förstärkta isolering tål 8 kV toppspänning och 5,7 kV RMS isoleringsspänning och har ett CMTI på >100 V/ns. Som också har noterats tidigare innehåller detta gatedrivkretskort även en avstängningskrets med två nivåer som skyddar MOSFET mot spänningsöversläng om det sker en kortslutning. Den här designen har en DESAT-identifieringströskel och fördröjningstid för steg två-avstängning. För samspel mellan signalerna för fel och återställning används en digital isolator, ISO7721-Q1. Totalt sett passar denna referensdesign ett tvålagerkretskort med 40 × 40 mm kompakt formfaktor.

TIDA-01168 – Referensdesign för dubbelriktad DC-DC-omvandlare för 12 V/48 V-bilsystem: Den här referensdesignen fungerar som en utvecklingsplattform för dubbelriktad DC-DC-omvandlare med fyra faser för 12 V/48 V-bilsystem. Systemet använder en TMS320F28027F-MCU och två LM5170-Q1-strömstyrenheter för effektstegkontroll. C2000-MCU:n ger spänningsåterkoppling medan LM5170-Q1-delsystemen använder återkoppling på strömmedelvärde för strömkontroll. Med hjälp av detta kontrollschema elimineras fasströmbalanseringen som är typisk för flerfasomvandlare. LM5170-Q1-baserade system tillåter en hög nivå av integrering, vilket minskar kretskortsytan, förenklar designen och påskyndar utvecklingen.

Produkter

ISO7731-Q1: ISO773x-Q1-enhetsfamiljen är trippelkanaliga digitala isolatorer med höga prestanda med 5 000 VRMS (DW-paketet) och 3000 VRMS (DBQ-paketet) isolering per UL 1577. Den här produktfamiljen har förstärkt isolering enligt CQC, CSA, TUV och VDE. Dessa enheter ger hög elektromagnetisk immunitet med låga utsläpp vid låg effekt, och isolerar CMOS eller LVCMOS digital I/O. Logiska in- och utbuffertar separeras av en kiseldioxidbaserad (SiO2) isoleringsbarriär i varje isoleringskanal. Enhetsaktiverade stift kan användas för att försätta respektive utgångar i hög impedans för körningstillämpningar med flera original och för minskad effektförbrukning. ISO7730-Q1-enheten har alla tre kanaler i samma riktning medan ISO7731-Q1-enheten har två framåtriktade kanaler och en kanal i motsatt riktning. Vid förlust av ineffekt eller signal är standardutgången låg för enheter med suffixet ”F” och hög för enheter utan suffixet ”F”.

UCC21520-Q1: Denna enhet är en isolerad dubbelkanalig gatedrivkrets (figur 3). Den har 4 A källström och 6 A sänkström. Den är utformad för att driva power-MOSFET, SiC MOSFET och IGBT på upp till 5 MHz med låg utbredningsfördröjning och pulsbreddsförvrängning. Ingångssidan och två utgångsdrivkretsar isoleras med en 5,7 kVRMS förstärkt isoleringsbarriär, med minst 100 V/ns CMTI. En driftspänning på upp till 1 500 VDC tillåts av intern funktionsisolering mellan de två drivkretsarna på sekundärsidan. Enhetens design tillåter att varje drivkrets konfigureras som två lågsidesdrivkretsar, två högsidesdrivkretsar på hög sida eller en halvbryggdrivkrets med programmerbar dödtid (DT). Båda utgångarna stängs av samtidigt av ett inaktiveringsstift, vilket tillåter normal drift när den är öppen eller jordad. Fel i primärsideslogiken tvingar båda utgångar lågt som en felsäker åtgärd.

Funktionsblockschema över UCC21520-Q1 isolerad dubbelkanalig gatedrivkrets från Texas Instruments

Figur 3: Funktionsblockschema över UCC21520-Q1 isolerad dubbelkanalig gatedrivkrets från Texas Instruments. (Bildkälla: Texas Instruments)

UCC21222-Q1: Denna isolerade dubbelkanaliga gatedrivkrets med programmerbar dödtid och brett temperaturområde har konsekventa prestanda och är stabil i extrema temperaturförhållanden. 4 A som högsta källström och 6 A som högst sänkström är utformat att driva power-MOSFET-, IGBT- och GaN-transistorer. UCC21222-Q1 har flera konfigurationer: två lågsidesdrivkretsar, två högsidesdrivkretsar eller en halvbryggdrivkrets. 5 ns prestanda för fördröjningsmatchning tillåter parallellkoppling av två utgångar som fördubblar drivstyrkan för högbelastningsförhållanden utan risk för internt genomslag. De två utgångsdrivkretsarna är isolerade från ingångssidan med en 3,0 kVRMS isoleringsbarriär, med minst 100 V/ns CMTI.

LM5170-Q1: De huvudsakliga högspännings- och precisionsdelarna i en dubbelkanalig dubbelriktad omvandlare för 48 V- och 12 V-bilsystem för två batterier aktiveras av LM5170-Q1-styrenheten. Det gör den genom att reglera den genomsnittliga strömmen som flödar mellan hög- och lågspänningsportarna i den riktning som anges av DIR-insignalen. Strömregleringsnivån programmeras med analoga eller digitala pulsbreddsmodulatoringångar. Typisk strömprecision på en procent uppnås av dubbelkanaliga differentialförstärkare för strömavkänning och dedikerade kanalströmövervakare. 5 A gatedrivkretsar med halvbrygga kan driva parallella MOSFET-omkopplare som kan leverera minst 500 W per kanal. Dessutom förhindrar inte bara diodemuleringsläget för de synkrona likriktarna negativ ström, utan möjliggör även drift i diskontinuerligt läge för förbättrad effektivitet med lätta belastningar. Många skyddsfunktioner är inkorporerade i enheten, som MOSFET-feldetektering, överspänningsskydd på både HV- och LV-porten, strömbegränsning cykel efter cykel och övertemperaturskydd.

INA301-Q1: Denna enhet har både högt common-mode, strömavkänningsförstärkare och en höghastighetskomparator konfigurerad att ge överströmsskydd. Det gör den genom att mäta spänningen på ett strömavkännings- eller strömshuntmotstånd och jämföra den med ett definierat tröskelvärde. INA301-Q1 har ett justerbart gränströskelintervall som kan ställas in med ett enstaka gränsinställningsmotstånd. Strömshuntövervakaren mäter differentialspänningssignaler på common-mode-spänning som kan variera från 0 V upp till 36 V, oberoende av matningsspänningen. Öppen drain-varningsutmatningen har alternativet att konfigureras att fungera i transparent läge, där utgångsstatus följer ingångsstatus, eller i ett låst läge, där varningsutmatningen rensas när låset återställs. Snabb detektering av överströmshändelser aktiveras av en svarstid i enheten för varningar på mindre än 1 µs.

INA240-Q1: Den fordonskvalificerade INA240-Q1 är en strömavkänningsförstärkare med spänningsutgång med förbättrad pulsbreddsmodulatoravvisning. Den känner av fall i shuntmotstånd över ett brett common-mode-spänningsintervall från -4 V till 80 V, oberoende av matningsspänning. Fördelen med negativ common-mode-spänning är att den tillåter enheten att fungera under jord, vilket tillgodoser svepåtergångsperioden för typiska solenoidtillämpningar. Enhetens förbättrade pulsbreddsmodulatoravvisning ger höga nivåer av avledning för stora common-mode-transientspänning (ΔV/Δt) i system som använder pulsbreddsmodulatorsignaler, till exempel motordrivning och solenoidstyrsystem. Denna funktioner säkerställer korrekta strömmätningar utan stor transientspänning och relaterad återställningsrippel på utspänningen. INA240-Q1 drivs med en enda strömförsörjning på 2,7 V till 5,5 V och drar maximalt 2,4 mA. Det finns för närvarande fyra fasta förstärkningar: 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V och 200 V/V. Enhetens nollavdriftsarkitektur med låg förskjutning möjliggör strömavkänning med maximala fall på shunten så lågt som 10 mV fullskaligt. Grad 1-versioner finns i 8-stifts TSSOP- och 8-stifts SOIC-paket och fungerar i det utökade temperaturområdet –40 °C till +125 °C. Grad 0-versioner finns bara i ett 8-stifts SOIC-paket och fungerar i det utökade temperaturområdet –-40 °C till +150 °C.

AMC1305M05-Q1: En delta/sigma-precisionsmodulator (ΔΣ), med en kapacitiv dubbel isoleringsbarriär som är mycket motståndskraftig mot magnetisk störning som separerar utgångs- och ingångskretsarna (figur 4). Isoleringsbarriären är certifierad att ge förstärkt isolering på upp till 7 000 VPEAK enligt standarderna DIN V VDE V 0884-10, UL1577 och CSA. I kombination med isolerade strömförsörjningar förhindrar AMC1305M05-Q1 brusström som kan förekomma på en högspänningsledning med common-mode från att komma in i det lokala systemets jord och störa eller skada lågspänningskretsarna. Enheten, som är optimerad för direktanslutning till shuntmotstånd och andra signalkällor med låg spänningsnivå, stöder AC- och DC-prestanda. Normalt känner shuntmotstånd av ström i onboard-laddare, traktionsväxelriktare eller andra sådana fordonstillämpningar. Med användningen av ett lämpligt digitalt filter för att decimera bitströmmen, till exempel dem som är integrerade på TMS320F2837x, kan enheten uppnå 16-bitars upplösning med ett dynamiskt omfång på 85 dB (13,8 ENOB) vid en datahastighet på 78 kSPS.

Förenklat schema över Texas Instruments delta/sigma-precisionsmodulator (ΔΣ), AMC1305M05-Q1

Figur 4: Förenklat schema över Texas Instruments delta/sigma-precisionsmodulator (ΔΣ), AMC1305M05-Q1. (Bildkälla: Texas Instruments)

TMS320F28069M: Den fordonskvalificerade F2806x Piccolo-familjen med MCU:er har kraften i C28x-kärnan och CLA kombinerat med högintegrerade styrningskringutrustning i enheter med lågt antal stift. Dessa enheter är kodkompatibla med tidigare C28x-baserad kod och ger en hög nivå av analog integrering. Andra funktioner är en intern spänningsregulator som möjliggör enkelskendrift och förbättringar av HRPWM-modulen som tillåter dual-edge-kontroll (frekvensmodulering). Dessutom har analoga komparatorer med interna 10-bitarsreferenser som kan dirigeras direkt för att kontrollera ePWM-utmatningar lagts till. ADC:n, som har ett gränssnitt optimerat för låg overhead och latens, konverterar från 0 till 3,3 V fast fullskaligt intervall och stöder ratiometriska VREFHI-/VREFLO-referenser.

ISO1042-Q1: Detta är en galvaniskt isolerad CAN-sändtagare (Controller Area Network) som uppfyller specifikationerna i ISO11898-2 (2016)-standarden. ISO1042-Q1 ger ±70 VDC bussfelskydd och ett common-mode-spänningsintervall på ±30 V. Den stöder en datahastighet på upp till 5 Mbit/s i CAN FD-läge, vilket möjliggör mycket snabbare överföring av nyttolast i jämförelse med klassisk CAN. Det finns en SiO2-isoleringsbarriär i enheten som har en motståndsspänning på 5 000 VRMS och en driftspänning på 1 060 VRMS. Den elektromagnetiska kompatibiliteten för ISO1042-Q1 har förbättrats betydligt för att möjliggöra ESD-, EFT-, strömrusnings- och utsläppsefterlevnad på systemnivå. I kombination med isolerade strömförsörjningar kan enheten hjälpa till att förhindra att högspänning och brusström från bussen kommer in i den lokala jorden. ISO1042-Q1 finns för tillämpningar med både grundläggande och förstärkt isolering och stöder ett brett omgivningstemperaturområde på -40 °C till +125 °C. Det finns i två paketstorlekar, SOIC-16-paketet (DW) och ett mindre SOIC-8-paket (DWV).

Slutsatser

Framtiden är ljus för fordonsindustrin. Men designerna blir mer komplicerade då fler funktioner, som drivs på av miljöregler och konsumentefterfrågan, läggs till i bilarna. För att stödja dessa funktioner har Texas Instruments en mängd olika referensdesigner och produkter nu som kan hjälpa till att minska designtiden och få ut framtidens bildesign till konsumenten snabbare.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Rich Miron

Rich Miron, Sr. Technical Content Developer at Digi-Key Electronics, has been in the Technical Content group since 2007 with primary responsibility for writing and editing articles, blogs and Product Training Modules. Prior to Digi-Key, he tested and qualified instrumentation and control systems for nuclear submarines. Rich holds a degree in electrical and electronics engineering from North Dakota State University in Fargo, ND.

Om utgivaren

Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics, based in Thief River Falls, Minn., is a global, full-service provider of both prototype/design and production quantities of electronic components, offering more than six million products from over 750 quality name-brand manufacturers at Digi-Key.