Шумахер У. Полупроводниковая электроника

Несмотря на все уже достигнутые успехи

вразработке автомобильной электроники, её развитие только начинается. Заглядывая

вбудущее, резонно предположить, что электроника будет играть всё б=ольшую роль

вавтомобилях. По оценкам экспертов, до 90% будущих инноваций в области автомобилестроения будут связаны с электроникой. В первую очередь, речь идёт об инфор- мационно-развлекательных и телематических системах, где большое значение приобретёт обмен данными между отдельными контроллерами автомобиля, между контроллерами автомобиля и пассажирами или между автомобилями/пассажирами и окружающим миром.

При описании современного автомобильного электрооборудования часто употребляется термин «управление по проводам» (x-by-wire). Речь идёт о переходе от механических устройств управления автомобилем к электронным системам управления. Так, например, термин brake-by-wire относится к тормозному устройству с электрическим приводом, которое с помощью проводов соединено с педалью тормоза. При этом жизненно важно, чтобы все три этих компонента (педаль тормоза, соединительные провода и собственно исполнительное устройство) надёжно работали в любых условиях. Другими примерами использования данной технологии являются электромеханическое рулевое управление (steer-by-wire), электронная система переключения передач (shift-by-wire), система управления положением дроссельной заслонки (throttle-by-wire), клапаны с электромеханическим приводом (valve-by-wire), система управления стеклоочистителем (wipe-by-wire) и, наконец, электронная система запуска двигателя (start-by-wire). Все эти устройства характеризуются большими потребляемыми токами и мощностями, что сложно обеспечить при использовании стандартного «автомобильного» напряжения +12 В. В связи с этим в настоящее время обсуждается вопрос о целесообразности использования в автомобиле источника дополнительного напряжения +42 В.

Появление в автомобиле всё большего количества электронных устройств связано с целым рядом факторов, в том числе с необходимостью обеспечить соответствие автомобилей требованиям по охране окружа-

ющей среды в условиях жёсткой ценовой конкуренции и постоянно растущих требований к комфортабельности автомобилей и обеспечению безопасности водителей и пассажиров.

В настоящее время довольно трудно предугадать, в каком направлении пойдёт дальнейшее развитие автомобильной электроники. Можно только предположить, что стоимость электрооборудования, сегодня составляющая около 20% от общей стоимости автомобиля, в течение ближайших 10…15 лет возрастёт до 30…40%, а, может быть, и до 50…60%. При этом за тот же период времени доля полупроводниковых электронных систем в составе автомобильного электрооборудования увеличится с нынешних менее 50% до 70%.

9.2.Кузовная электроника и системы обеспечения комфорта

Неотъемлемым атрибутом современных автомобилей практически всех классов являются такие системы, как, например, электропривод боковых зеркал, системы кондиционирования воздуха или обогрева сидений. Среди автомобильных электронных устройств подобного назначения наибольшее распространение получили:

блоки управления кузовной электроникой и осветительными приборами — в настоящее время составляют до 50% рынка в данной сфере;

модули управления стеклоподъёмниками и регулировки положения сидений — примерно 15% рынка;

системы кондиционирования воздуха — примерно 11% рынка.

Основная техническая проблема, возникающая при проектировании подобных устройств, состоит в необходимости обеспечить как можно меньший потребляемый ток, поскольку их питание, как правило, осуществляется непосредственно от аккумуляторной батареи автомобиля даже при выключенном зажигании. С другой стороны, температурные условия их работы (-40…+105GC) значительно менее жёсткие, чем условия работы электронных устройств управления двигателем или коробкой передач.

9.2.1.Системы управления электропитанием и осветительным оборудованием автомобиля

Контроллеры электропитания и модули управления осветительным оборудованием автомобиля являются наиболее значимыми устройствами кузовной электроники. Список этих приборов и диапазон выполняемых ими функций очень широк.

В первую очередь, речь идёт об электронных модулях управления осветительным оборудованием автомобиля, к которому относятся как внутренние (освещение салона), так наружные электроосветительные приборы — фары ближнего и дальнего головного света, указатели поворота, стоп-сигналы, габаритные фонари и т.п. Помимо основных, управляющих, функций, эти контроллеры, как правило, осуществляют ещё и системную диагностику, т.е. отслеживают отказ ламп, обрыв электропроводки или ошибки в работе того или иного осветительного оборудования. Данные тестирования заносятся в память контроллера, а водитель информируется о возникшей неисправности. Некоторые типы контроллеров способны не только собирать информацию о состоянии системы, но и обеспечивать дублирование вышедшего из строя узла за счёт передачи части его функций другим узлам автомобиля. Так, например, в случае неисправности фонаря заднего хода, его функцию берёт на себя задний противотуманный фонарь, яркость свечения которого соответствующим образом понижается. Понижение яркости реализует схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ), работающая на частоте, примерно равной 100 Гц, обеспечить которую невозможно при использовании электромеханических реле.

Как правило, современные электронные модули обеспечивают управление осветительными приборами мощностью до 600 Вт. За счёт применения более эффективных полупроводниковых компонентов потери мощности могут быть снижены до 7…10 Вт, благодаря чему можно обойтись без дорогих и тяжёлых теплоотводящих радиаторов. Кроме того, всё шире используются много-

канальные решения, например модули, имеющие 4 независимых канала управления лампами. Это позволяет достичь миниатюризации компонентов, снизить их стоимость и габариты. В результате, контроллеры, становясь всё меньше по размеру, обеспечивают при этом лучшую функциональность и большее удобство использования. Светотехнические модули последнего поколения (см. Рис. 9.1) не содержат предохранителей. Силовые полупроводниковые компоненты теперь недоступны — они «спрятаны» непосредственно позади переключателя указателей поворотов на приборном щитке автомобиля, при этом не нужны никакие соединительные провода между выключателем и силовым модулем.

Источник:

компания BMW

Рис. 9.1. Этапы развития контроллеров осветительного оборудования автомобиля.

Одним из ведущих производителей кузовной электроники является компания Infineon Technologies, которая предлагает очень широкий ассортимент различной продукции, начиная от нижних1) ключей (HITFET), схем управления реле и светодиодными индикаторами (многоканальные HITFET), вплоть до интеллектуальных верхних2) ключей (PROFET, HiC-PROFET) и сложных приёмопередающих устройств, использующих протоколы CAN или LIN. Венчают этот список (см. Рис. 9.2) высокопроизводительные микроконтроллеры с 16-бит- ным или 32-битным ядром.

Применение ключей серии PROFET (структурная схема данного ключа приведена на Рис. 9.3) имеет целый ряд преимуществ, важнейшее из которых вытекает из самой концепции верхнего ключа, когда положительное питающее напряжение пос-

тупает на нагрузку через ключ, а второй вывод нагрузки соединён с землей. Если в качестве земли выступает шасси автомобиля, то для питания нагрузки потребуется всего лишь один провод, благодаря чему стоимость системы существенно снижается.

Поскольку в фарах ближнего и дальнего света и противотуманных фонарях применяются мощные (55…65 Вт) лампы накаливания или даже ксеноновые лампы, для их коммутации могут использоваться только верхние ключи (типа HiC PROFET) с очень низким выходным сопротивлением. Таким образом, решение на базе HiC PROFET является наиболее эффективным и позволяет оптимизировать габариты модулей.

Ключи серии PROFET имеют встроенные схемы защиты от перенапряжения и перегрева. Если, например, возникает короткое замыкание в шине питания или в нагрузке, то ключ PROFET безопасно отключается; при этом не требуется применение дополнительного плавкого предохранителя, а максимальный ток короткого замыкания ограничивается. Поэтому можно использовать соединительные провода меньшего сечения, т.е. более лёгкие и дешёвые.

Система диагностики ключей PROFET позволяет не только отслеживать случаи превышения допустимой рабочей температуры или величины питающего напряжения, но и обнаруживать обрывы цепи. Некоторые модели имеют дополнительный выход Intelli-Sence, напряжение сигнала на котором пропорционально току нагрузки. Это позволяет обойтись без токоизмерительного резистора и схемы обработки. К преимуществам можно также отнести то, что входы и выходы состояния являются КМОП/ТТЛ-совместимыми. Таким образом, интеллектуальный ключ PROFET мо-

жет подключаться непосредственно к порту микроконтроллера, в то время как для управления, например, реле потребуется дополнительный драйвер. Кроме того, ключи PROFET позволяют без проблем коммутировать индуктивную нагрузку: встроенные стабилитроны ограничивают выбросы напряжения, обеспечивая эффективную защиту; при использовании же реле потребуется дополнительно подключить (встречнопараллельно) внешний защитный диод.

Упоминавшиеся выше приборы типа HiC PROFET реализованы на основе технологии «кристалл на кристалле» (chip-on- chip), когда на основной кристалл «сажается» дополнительный кристалл, и вместе они помещаются в один корпус. Описанные выше логические и защитные схемы интегрированы в дополнительный кристалл, выполненный по SMART-технологии компании Infineon. Эта технология позволяет получать КМОП- и ДМОП-компонен- ты на одном кристалле.

В основном кристалле используются МОП-транзисторы. Они имеют не самое низкое сопротивление в открытом состоянии на единицу площади, но, благодаря меньшей сложности, данная технология оказывается рентабельнее, чем технология SMART. Линейка продукции Infineon включает в себя модули, рассчитанные на напряжение 12 В, 24 В и 42 В (см. Табл. 9.1).

Для управления другим осветительным оборудованием автомобиля (сюда относятся, например, лампы указателей поворота мощностью 21 Вт, 10- и 5-ваттные лампы для габаритных фонарей, и т.д.) компания Infineon предлагает исключительно широкий и полнофункциональный ассортимент продукции на базе семейства PROFET (см.

Табл. 9.2).

В будущем можно ожидать более широкого применения светодиодов в автомобильном осветительном оборудовании. Уже в настоящее время светодиоды, несмотря на их относительно высокую по сравнению с обычными лампами стоимость, используются в повторителях стоп-сигнала. Преимущество светодиодных фонарей состоит в меньшем времени включения. Когда речь идёт о тормозных фонарях, выигрыш в десятые доли секунды может оказаться чрезвычайно важным. Кроме того, применение светодиодов предоставляет дизайнерам б=ольшую свободу творчества (поскольку такие фонари могут иметь различную форму и малую толщину). Наконец, надёжность светодиодных фонарей значительно выше, чем надёжность галогенных ламп. Для оптимального управления светодиодами следует использовать специализированную микро- схему-драйвер, например TLE 4240G.

Эта ИС работает как источник стабильного тока до 60 мА и, таким образом, защищает светодиоды от перенапряжения. Кроме того, TLE 4240G имеет встроенную защиту от перегрузки по току, короткого замыкания выхода на землю или шину питания, обратной полярности и перегрева, а также диагностику отключения нагрузки, которая сообщает о неисправности светодиода или обрыве проводки.

Микросхема TLE 4241 является дальнейшей модификацией TLE 4240. Она обеспечивает регулировку выходного тока в диапазоне 8…75 мА. Кроме того, можно устанавливать два заранее заданных значения выходного тока. Благодаря этому можно использовать одну и ту же цепочку светодиодов и в качестве заднего габаритного огня (при меньшем токе), и в качестве сигнала экстренного торможения (при большем токе, следовательно, и яркость свечения светодиодов во втором случае будет гораздо

выше). Такое решение позволяет снизить стоимость осветительных приборов и их габариты.

9.2.2. Дверные модули

В современных автомобилях, буквально «напичканных» электроникой, двери не являются исключением. Достаточно упомянуть центральный замок, управляемый дистанционно посредством радиосвязи; в настоящее время подобными устройствами оснащены практически все автомобили, также как и электрическими стеклоподъёмниками, электроприводами зеркал и системами их обогрева.

Нетрудно себе представить, какова была бы толщина жгута соединительных проводов, если бы все эти устройства подключались непосредственно к центральному контроллеру системы питания автомобиля. Именно по этой причине тенденция, направленная на повышение комфортабельности и всё большую электрификацию автомобиля, привела к размещению электронных узлов в дверях автомобиля. Расположенные здесь интеллектуальные субмодули называются контроллерами дверей. Их связь с другими контроллерами автомобиля осуществляется посредством обмена данными по шине. Как правило, для этого используется протокол CAN (см. Рис. 9.4).

Функции, выполняемые контроллером двери, могут варьироваться в зависимости от сложности оборудования, установленного в автомобиле (см. Рис. 9.5). Интеллектуальные силовые полупроводниковые компоненты обеспечивают управление оборудованием (к которому относятся электроприводы дверных замков, электрорегуляторы положения боковых зеркал и системы их обогрева, лампы подсветки и электрические стеклоподъёмники), осуществляют его защиту и диагностику.

Зеркало

Шина CAN

Зеркало

Как правило, многие системные периферийные функции рациональнее реализовывать не в микроконтроллере, а путём их интеграции в микросхемы систем питания. К числу таких функций относятся: формирование напряжения питания для самого микроконтроллера и всевозможных датчи-

ков, построение драйверов для управления шинным интерфейсом на физическом уровне; опрос панели управления и контроль работы микроконтроллера посредством сторожевых таймеров и сброса.

Для реализации каждой из указанных функций компания Infineon Technologies

9.2.3.Системы кондиционирования воздуха

Системы кондиционирования воздуха проделали большой путь от чисто механических кондиционеров к полуили полностью автоматизированным системам (см. Рис. 9.7), при этом всегда была актуальна задача снижения веса и габаритов.

В механических кондиционерах в качестве привода клапанов использовались рычаги или трос Боудена1). Сегодня эту функцию выполняют небольшие электромоторы — шаговые двигатели с биполярным и униполярным питанием или двигатели постоянного тока. Компания Infineon Automotive Power (подразделение компании Infineon) разработала и предлагает потребителям две микросхемы, предназначенные для управления электродвигателями постоянного тока — TLE 6208-6 и TLE 6208-3.

Эти ИС выполнены по технологии SPT, позволяющей совместить на одном кристалле биполярные транзисторы аналоговых схем, логические КМОП-схемы и выходные каскады на ДМОП-транзисторах. Так, ИС TLE 6208-6 содержит шесть нижних и шесть верхних ключей, которые, при полумостовом включении могут управлять цепочкой из пяти электромоторов. Выходные каскады характеризуются сопротивлением

в открытом состоянии RDS(on) не более 800 мОм, а их максимальный рабочий ток

составляет 1.2 А. Если необходимо получить б=ольшую мощность, можно без какихлибо проблем включать выходные каскады параллельно. Кроме того, микросхема уже содержит встроенные обратные (freewheeling) диоды, поэтому нет необходимости в использовании дополнительных внешних компонентов. Выходные ДМОП-каска- ды имеют встроенную защиту от перегрузки и короткого замыкания, а также термодатчики, что в совокупности позволяет предотвратить повреждения не только модуля управления, но и исполнительного устройства. Таким образом, электродвигатель уже оказывается защищён от перегрузки и можно обойтись без обычно используемых в этих целях позистора или биметаллического размыкателя.

Управление нижними и верхними ключами ИС осуществляется через современ-

ный интерфейс SPI (прямое управление ключами требует слишком много портов ввода/вывода микроконтроллера). Использование SPI-интерфейса предпочтительнее и с точки зрения диагностики системы. Передаваемое в микроконтроллер проверочное слово длиной 16 бит содержит информацию о состоянии каждого из ключей, что позволяет отслеживать все случаи их перегрузки или перегрева и вовремя предпринимать соответствующие меры. Это существенно упрощает проведение диагностики оборудования в сервисных центрах.

ИС TLE 6208-6 может работать в широком диапазоне напряжений питания (7…40 В), характеризуется исключительно малым, не превышающим 10 мкА, током потребления и выпускается в компактном корпусе P-DSO-28. Таким образом, данная силовая микросхема очень хорошо подходит для использования не только в автомобильной, но и в промышленной электронике. Её облегчённая модификация, ИС TLE 6208-3, содержит три полумоста, выпускается в малогабаритном корпусе P-DSO-14 и функционально полностью совместима с TLE 6208-6.

Для управления шаговым двигателем с униполярным питанием компания Infineon Technologies предлагает новый интегральный контроллер BTS 3408G — двухканальный нижний ключ серии HITFET. Помимо стандартной защиты от перегрузки, перегрева, а также ограничения максимального тока, данный контроллер осуществляет диагностику коротких замыканий и обрывов в цепи нагрузки. BTS 3408G (функциональная схема приведена на Рис. 9.8) предназначен для управления шаговыми двигателями. В системах с двухзональным кондиционированием обычно используются 5 шаговых электродвигателей. Для управления каждым из них требуется 4 нижних ключа, т.е. 2 микросхемы BTS 3408G.

Дополнительная задача современных автомобильных систем кондиционирования воздуха — обеспечить необходимую температуру салона автомобиля за как можно более короткое время. Эффективность современных двигателей внутреннего сгорания возросла настолько, что выделяемого ими тепла уже не хватает для эффективного обогрева салона, особенно зимой. Быстро,

К микроконтроллеру

10 Вт

5 Вт

5 Вт

OUT8

OUT9

OUT10

OUT11

GND

OUT1

OUT2

OUT3

OUT4

ЗеркаOUT5 ло Х

Зеркало Y

OUT6

OUT7

Обогрев

зеркала

Охлаждение

Блок Дисплей управления

системой

Панель кондициониуправления рования

(вода), состоит в том, что двигатель прогревается быстрее. Однако при этом пассажирам приходится дольше мёрзнуть внутри салона, ожидая, пока жидкость, проходя через теплообменник, в достаточной степени нагреет воздух. Поэтому всё большее распространение приобретают дополнительные электрические обогреватели (калориферы). Преимущество таких устройств ещё и в том, что они легче, дешевле и надёжнее в работе, чем системы, использующие двигатель автомобиля. На Рис. 9.9 проиллюстрировано, как вспомогательный электрический обогреватель подключается к автомобильной системе кондиционирования воздуха.

В качестве вспомогательного обогревателя может применяться позистор, управляемый с помощью сильноточного ключа. Эффективная регулировка температуры достигается за счёт использования широтно-им- пульсной модуляции (ШИМ). Из-за больших токов частота ШИМ выбирается не ниже 100 Гц, в этом случае обогреватель представляет собой квазистатическую нагрузку для бортовой электрической сети и электрогенератора. Компания Infineon Technologies разработала линейку модулей серии HiC PROFET (см. также Табл. 9.1), которые хорошо подходят для построения таких схем, имея выходное сопротивление от 16 до 2.5 мОм.

Вспомогательный обогреватель воздуха может быть реализован и на полупроводниковом транзисторе, работающем в линейном режиме. Чем сильнее разогревается полупроводниковый кристалл, тем больше тепла