Шумахер У. Полупроводниковая электроника

VS 12

D 13

4

3

11

8

5

VCC

RO

TxD

INHT

RxD

спектр выпускаемых компонентов. Функции питания, передачи данных и преобразования сигналов уже интегрированы с использованием технологии L-chip. Следующим шагом будет интеграция контроллера системы безопасности и/или драйверов (выходных каскадов). Однако из-за ухудшения гибкости системы и из-за концентрации больших тепловых потерь в одном устройстве этот шаг ещё требует тщательного анализа, главным образом, с точки зрения его экономической целесообразности.

Компания Infineon также может предложить полный набор ИС для систем управления двигателем (Рис. 3.96). Вокруг микроконтроллера TC1765 или TC1775 расположен ряд силовых ИС, управляющих исполнительными устройствами, блоками напряжения питания и передачи данных.

До нынешнего момента в данных системах микроконтроллеры с высокой степе-

нью интеграции не использовались, поскольку требуемая вычислительная мощность, т.е. сложность, полностью исключала это. Однако для небольших простых устройств такая возможность требует более подробного рассмотрения. Примером подобных встроенных силовых устройств может служить привод электродвигателя (см. «электронный мускул» в подразделе 3.4.5). Блок-схема наиболее важного представителя данной группы устройств, привода бесщёточного электродвигателя постоянного тока, представлена на Рис. 3.97. Этот трёхфазный привод бесщёточного электродвигателя постоянного тока заменит традиционный двигатель постоянного тока и множество гидравлических и механических решений в мехатронных устройствах.

Привод с электронным управлением теперь может применяться во множестве устройств. Как альтернатива ремённым приво-

Бесщёточный двигатель постоянного тока

дам и блокам с гидроприводом, он чаще является более дешёвым и почти во всех случаях снижает расход топлива. Сочетая повышенную надёжность и более низкий уровень помех (искрение в щёточно-кол- лекторном узле является сильным источником помех), не требующие обслуживания бесщёточные приводы постоянного тока будут вытеснять более тяжелые и менее надёжные стандартные двигатели постоянного тока. Заметим, что снижение веса на 100 кг позволяет снизить потребление топлива в обычном автомобиле на 0.3 л на 100 км.

ИС может быть как монолитной, так и двухкристальной или даже состоять из нескольких кристаллов. При этом силовые МОП-транзисторы никогда не устанавливаются в ту же микросхему, а выделяются в специальные модули, как было описано в подразделе 3.6.1.

Интересным вариантом является совмещение высоковольтного кристалла, изготовленного по SPT-технологии, с КМОПкристаллом высокой степени интеграции. Оба кристалла устанавливаются в одном корпусе. Для этого компания Infineon разработала технологию SOLID, при которой кристаллы электрически соединяются друг с другом без использования соединительных проводов.

Из-за всё большего использования электроники в автомобилях потребность в электроэнергии в течение следующих нескольких лет резко возрастёт. На Рис. 3.98 представлена диаграмма изменения мощности и максимального тока генераторов автомобилей среднего класса за последние несколько лет.

Однако при использовании традиционного 14-вольтового источника питания каждый киловатт мощности увеличивает

Как говорилось ранее при описании микросхем интеллектуальных систем питания, автомобиль всё больше становится сетью с распределённым управлением. Некоторые из современных контроллеров соединяются только при помощи CAN или аналогичных ей сетей. В ближайшем будущем автомобиль станет «нейронной сетью» на колесах. Контроллеры будут обмениваться данными любого типа почти на любой требуемой скорости, и вычислительная мощность сможет использоваться оптимальным образом.

Конечно же, это обязательно отразится на процессах разработки, проводимых производителями полупроводниковых приборов. В ближайшем будущем они перестанут разрабатывать только специализированные стандартные микросхемы (ASSP), а в большей мере перейдут на разработку систем. Множество примеров системных наборов ИС (чипсетов) было приведено в подразделе 3.6.7. Тенденция показывает появление второго измерения: интеграция аппаратных средств против интеграции устройств, например системы контроля давления в шинах (TMPS).

Заглядывая немного дальше в будущее, можно увидеть третье измерение — интеграцию программного обеспечения. Это даёт нам пространство для разработки новых, важных устройств, например TCG (Telematics Communication Gateway — телематический шлюз).

3.7.Источники питания и устройства электропривода

Современный стиль жизни уже нельзя представить без устройств обеспечения и обработки данных, использующих электроэнергию и её источники. Многие современные устройства питаются либо непосредственно от электрической сети, либо от автомобильного генератора или используют аккумуляторы.

Электрические схемы в современных устройствах развлекательной электроники, устройствах обработки данных или промышленной электроники в большинстве случаев питаются постоянным напряжением в диапазоне от 1 до 12 В. Для того чтобы эти устройства могли работать от общей сети переменного тока, а также для зарядки встроенных аккумуляторов требуются блоки питания.

3.7.1.Типы импульсных источников питания

Традиционные блоки питания состоят из сетевого трансформатора для понижения напряжения и обеспечения гальванической развязки от питающей сети, выпрямителя для получения напряжения постоянного тока и конденсатора большой ёмкости для сглаживания напряжения (Рис. 3.101).

VOUT

VIN

Рис. 3.101. Источник питания без стабилизации выходного напряжения.

Рис. 3.102. Источник питания со стабилизацией выходного напряжения.

Стабилизированный источник тока или напряжения, выходные параметры которого не зависят от изменений входного напряжения и нагрузки, получается при введении схемы стабилизации. Схемы стабилизации обычно имеют значительные потери и требуют использования больших сетевых трансформаторов (Рис. 3.102). Это увеличивает общие потери и вызывает нагрев прибора. В общем итоге, это приводит к неудовлетворительным значениям КПД из-за того, что при возникновении перенапряжений на линии питания линейный стабилизатор напряжения должен рассеять полную разность мощностей.

Традиционные блоки питания всё больше вытесняются импульсными источниками питания (см. Рис. 3.103). Импульсные источники питания имеют следующие преимущества:

меньшие габариты и вес благодаря использованию трансформаторов и конденсаторов меньших размеров;