Шумахер У. Полупроводниковая электроника

9.5.5.Автомобильные мультимедийные системы

Мультимедийная система сочетает аудиосистему высшего класса, навигационную систему и развлекательное устройство. Помимо ТВ приёмника и DVD-плеера, такая система может включать встроенную игровую консоль, иногда использующую дисплей, встроенный в подголовник переднего сиденья.

Мультимедийные системы обычно построены на базе высокопроизводительных процессорных платформ, обеспечивающих хорошие графические возможности.

9.5.6.Технологии совместного использования

GPS (глобальная система определения местоположения)

Приёмники GPS широко используются для определения текущих координат транспортного средства. Эти устройства способны одновременно осуществлять поиск и отслеживать положение от 8 до 16 спутников.

Задача определения координат является высокоприоритетной (прерывания для обращения к подпрограмме поиска и вычисления осуществляются через каждые 1 и 20 мс соответственно), в GPS-приёмнике используется 32-битный контроллер и соответствующая память. В автономных GPSсистемах микроконтроллер интегрирован непосредственно в базовую ИС приёмника, а требуемый объём памяти наращивается за счёт внешних микросхем (Рис. 9.41).

Рис. 9.41. Пример автономного GPS-приёмника.

Ещё более перспективными, особенно в случае массового производства, являются так называемые централизованные (host-based) GPS-архитектуры. Примером подобного ре-

шения служит концепция FirstGPS, разработанная совместно компаниями Infineon и Trimble. Эта концепция подразумевает, что все функции реального времени реализуются аппаратно в составе базовой ИС, в то время как выполнение менее критичных по быстродействию функций берёт на себя хост-кон- троллер, например процессор навигационной системы. Программная реализация данных функций требует не слишком большой дополнительной загрузки хост-контроллера (не более 4 MIPS1)), который при этом может использовать доступные ему большие ресурсы памяти, что позволяет уменьшить количество внешних компонентов, требующихся для построения GPS-приёмника. В рамках рассматриваемой концепции возможно также распределение ресурсов для совместной работы с 32-битным микроконтроллером, интегрированным в базовую ИС автономной GPS-архитектуры.

Bluetooth

С ростом популярности пользовательских устройств, в которых применяется Bluetooth (к таковым можно отнести ноутбуки, КПК, мобильные телефоны и т.п.), и связанным с этим расширением сферы его применения, необходимость поддержки Bluetooth в автомобильных приложениях становится всё более очевидной. Bluetooth обеспечивает стандартизованный интерфейс для пользовательских устройств различных производителей и позволяет обеспечить сопряжение относительно долгоживущих информацион- но-развлекательных систем и недолговечных пользовательских устройств.

Bluetooth часто реализуется в виде функциональных модулей, построенных на базе современных ИС. Эти Bluetooth-микросхе- мы разработаны для продукции массового производства, рассчитанной на небольшой срок службы (1…2 года). С другой стороны, современные полупроводниковые технологии позволяют создавать микросхемы со встроенным ВЧ трактом и схемой обработки сигнала в основной полосе частот (BaseBand) (Рис. 9.42). Такие ИС требуют минимального количества внешних компонентов и удовлетворяют более жёстким (автомобильным) требованиям к диапазону рабочих температур.

HS-CAN

LS-CAN

Опционально для TC1912

Коннектор

Коннектор

Наличие сертифицированных Bluetoothмодулей — всего лишь полдела. Не меньше внимания следует уделить программному обеспечению Bluetooth.

Профили и наборы протоколов Bluetooth следует задавать с учётом различных ситуаций, которые могут возникнуть при работе конкретных приложений. Для того чтобы

обеспечить согласование со стандартом Bluetooth, системный интегратор должен гарантировать соответствие базовых профилей требованиям других систем.

В стандарт Bluetooth входят разработанные специально для применения в автомобильных устройствах прикладные профили (подобно тому, как это сделано и для других об-

ластей применения Bluetooth). К ним относятся профили, предназначенные для поддержки функции громкоговорящей связи (handsfree) в мобильных телефонах, а также профили доступа к SIM-карте и управления мобильным телефоном, реализующие расширенные телефонные функции (Рис. 9.43).

9.6.Новые 42-В системы электропитания автомобиля

Тема возможного перевода автомобилей на перспективное бортовое напряжение +42 В активно обсуждается на различных международных конференциях, начиная с 1995 года. В настоящее время обозначены практически все основные технические проблемы, связанные с реализацией этой идеи, что открывает возможность создания хоть и предварительных, но вполне «рабочих» и согласованных на международном уровне стандартов для таких систем. Наличие подобных стандартов, в свою очередь, позволяет компаниям-производителям с определённой степенью достоверности определить направление дальнейшего развития автомобильных систем.

Если с технической стороной всё болееменее понятно, то вопрос соотношения затрат и прибылей при переходе на новый стандарт напряжения вызвал острые дискуссии среди автопроизводителей. Первые серийные автомобильные стартер-генера- торы на напряжение +42 В были представлены на рынке в 2003 году, а два года спустя появились более сложные устройства на два напряжения 42 и 12 В (для автомобиля Mersedes S-Class). Однако с тех пор реализация многих проектов подобных систем была приостановлена или прекращена.

Несколько ранее, в 2001 году, Toyota уже анонсировала выпуск концепт-кара с универсальной гибридной силовой установкой THS-M (Toyota Hybrid System Mild), которая оборудована 42-вольтовым стартер-ге- нератором, связанным с основным бензиновым двигателем через приводной ремень и способным преобразовывать кинетическую энергию торможения в электрическую энергию, используемую для подзарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.

Появление таких машин свидетельствует о том, что времена, когда 42-вольтовые автомобильные системы электропитания получат широкое распространение, уже не за горами.

9.6.1. Уточнение терминов: 12 В и 42 В

В современных устройствах бортового электропитания рабочее напряжение считается равным 12 В. Это значение относится к выходному напряжению ненагруженной (цепь нагрузки разомкнута) свинцовокислотной аккумуляторной батареи. Именно такие батареи установлены практически в любом автомобиле и состоят из 6 последовательно соединённых ячеек, каждая из которых обеспечивает выходное напряжение 2 В. Процесс зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов очень прост: при работающем двигателе внутреннего сгорания на клеммы аккумуляторной батареи подаётся постоянное напряжение. При комнатной температуре данное зарядное напряжение составляет приблизительно 13.8 В. Исходя из этого, бортовую сеть автомобиля можно назвать и 14-вольтовой. Таким образом, когда речь идёт о бортовом напряжении автомобиля, термины 12 В и 14 В относятся к одной и той же системе, но находящейся в двух различных состояниях: питание от аккумулятора (двигатель выключен) или питание от генератора (двигатель работает).

Что же касается термина 42 В, то речь идёт исключительно о величине напряжения бортовой сети транспортного средства при работающем двигателе или, другими словами, о величине зарядного напряжения при комнатной температуре. При выключенном двигателе бортовое напряжение не нормируется. Это сделано специально, чтобы оно не зависело от типа применяемых аккумуляторных батарей. Если спроектировать 42-вольтовый автомобильный источник питания с использованием свинцовокислотных аккумуляторов, то напряжение холостого хода на них составит приблизительно 36 В, однако для других типов батарей, например никель-кадмиевых, оно будет другим. Тем не менее, независимо от типа применяемых в автомобиле аккумуляторов, можно говорить, что величина рабочего (зарядного) напряжения равна 42 В.

Итак, подведём итог. Для современных систем электропитания автомобилей устоявшимся является термин «напряжение 12 В», поэтому, говоря о старой и новой системах электропитания, употребляют термины 12 В и 42 В соответственно. Однако, исходя из величин зарядных напряжений, эти две системы часто обозначаются

как 14-В и 42-В. Сравнивая величины, мы видим, что они различаются ровно в 3 раза. Термин же «напряжение питания 36 В» в контексте автомобильных систем электропитания употреблять не следует.

9.6.2.Перспективы использования бортовой электросети 42 В (PowerNet) в рамках новых решений и концепций

Основной вопрос, вокруг которого строились и строятся все дискуссии при обсуждении 42-вольтовых систем автомобильного электропитания, — это вопрос: «Зачем они нужны?».

В Табл. 9.5 представлено несколько аргументов в пользу перехода на напряжение 42 В. Во-первых, применение повышенного напряжения позволяет снизить токи нагрузки. Благодаря этому могут быть использованы силовые полупроводниковые компоненты с меньшей площадью кристаллов (т.е. меньших габаритов), а жгуты соединительных проводов можно сделать тоньше и легче. К тому же, повышение напряжения позволит увеличить эффективность бортовых систем генерации, распределения и переключения электроэнергии.

Кроме того, именно благодаря снижению рабочих токов появилась возможность для реализации в автомобилях таких совершенно новых устройств, как управляемые электромагнитные клапаны, электрическая трансмиссия (EVT) или адаптивные гибридные системы со стартер-генератором. При-

менение всех этих новшеств совместно с двигателем внутреннего сгорания с функцией запуска/остановки и малотоксичным выбросом, а также использованием части энергии торможения транспортного средства для подзарядки аккумуляторов обеспечит хорошие предпосылки для снижения среднего уровня вредных выбросов и расхода бензина в автомобиле. По мере дальнейшей электрификации ряда вспомогательных узлов двигателя, которые сегодня являются механическими или механогидравлическими, и оснащения их ориентированными на энергосбережение системами управления, процесс снижения расхода топлива и энергии будет, несомненно, продолжаться.

Всё сказанное относится и к таким системам, как компрессор кондиционера, ABS, топливный или водяной насосы. С другой стороны, весьма перспективной является возможность снижения расхода топлива на 5% и более за счёт оптимизации теплового режима работы двигателя внутреннего сгорания. Ключом к успеху в данном случае вновь является использование вспомогательных электрических устройств, таких как вентилятор охлаждения, а также электрических клапанов вместо классического термостата с хладагентом. Основой для создания подобной системы температурной оптимизации работы двигателя является напряжение питания 42 В.

Напряжение питания 42 В будет применяться, главным образом, в классических

водородных топливных элементах или в электромобилях. В принципе, все эти автомобили должны обладать всеми функциями комфорта и безопасности, которые рассматривались выше в данной главе. Однако мощность электрических двигателей и прочих устройств этих автомобилей превышает 30 кВт, поэтому значения напряжения их бортовой сети выбираются существенно б=ольшими, нежели 42 В (обычно они лежат

вдиапазоне 200…400 В). Наличие отдельного напряжения питания 42 В в данных условиях практически никак не влияет на работу электрооборудования.

Требования по охране окружающей среды, принятые Европейской ассоциацией автопроизводителей (ACEA), предусматривали поэтапное снижение содержания CO2

ввыхлопных газах новых автомобилей в среднем на 25% (начиная с 186 г/км пробега

в1995 году и вплоть до 140 г/км для автомобилей 2008 года выпуска). К 2012 году пред-

полагается довести этот уровень до 120 г/км. По мнению экспертов, решить эту задачу можно лишь за счёт радикальных мер, например электрификации наиболее энергопотребляющих исполнительных устройств автомобиля и постепенный переход к питанию этих устройств от напряжения 42 В. В США аналогичная программа корпоративных мероприятий по экономии топлива (Corporate Average Fuel Economy — CAFE) действует с 1975 года. На сегодняшний день в рамках данной программы предусмотрены следующие нормы расхода бен-

внедорожников и так называемых паркетников (SUV).

В более отдалённом будущем напряжение 14 В, скорее всего, перестанут использовать в качестве бортового на всех типах автомобилей. Это кажется неминуемым следствием унификации электронного оборудования, которая, в свою очередь, является необходимым условием дальнейшего увеличения объёмов продаж отдельных его компонентов.

Всё сказанное выше можно отнести и к 24-вольтовым системам электропитания, используемым в европейских грузовых автомобилях (в США напряжение в бортовой сети грузовиков составляет 12 В). Начиная приблизительно с 2010 года, стандарт 42 В

будет использоваться в бортовых электросетях практически всех новых автомобилей массового производства.

9.6.3.Силовые полупроводниковые компоненты и напряжение питания 42 В

Силовые полупроводниковые приборы, применяемые в системах электропитания, должны выдерживать рабочие напряжения, значительно превышающие величину напряжения в бортовой сети (12 В в настоящее время). Защита от перенапряжения обычно осуществляется путём использования шунтирующих стабилитронов на напряжения в диапазоне 45…60 В. В случае перехода на бортовое напряжение питания 42 В эти защитные стабилитроны должны быть рассчитаны на напряжения 60…70 В.

ВТабл. 9.7 представлены рабочие напряжения, на которые должны быть рассчитаны защитные стабилитроны, используемые

вразличных автомобильных и промышленных системах электропитания. Например, в промышленных сетях или в 24-вольтовой бортовой сети грузовика нужны стабилитроны на напряжение около 65 В, в то время как для устройств, демпфирующих влияние индуктивной нагрузки, — на 60…80 В.

Как видно из Табл. 9.7, требования, предъявляемые к полупроводниковым компонентам в случае перехода на 42-вольто- вый стандарт питания, вполне согласуются с уже существующими приборами, что позволяет внести в эти требования необходимое единообразие.

Вверхней части Рис. 9.44 представлены уровни напряжений для стандарта питания 42 В в соответствии с нормативами DIN и ISO. Номинальный рабочий диапазон составляет 30…48 В (среднеквадратичное зна-

чение напряжения Vrms). С учётом уровня пульсаций, пиковое значение напряжения может превышать 50 В. Кроме того, допустима импульсная перегрузка до 58 В при длительности импульса не более 400 мс.

Минимальные значения так называемого пускового напряжения составляют 18 В при длительности импульса не более 15 мс и 21 В при длительности импульса не более 20 с. Предусматривается, что схема защиты от переполюсовки должна выдерживать кратковременно (не более чем на 100 мс) приложенное отрицательное напряжение –2 В.

Из Рис. 9.44 видно, что диапазон номинальных рабочих напряжений интеллектуальных полупроводниковых силовых компонентов должен простираться от 18 до 58 В. Кроме того, должны быть предусмотрены защитные механизмы, ограничивающие короткие (микросекундной длительности) импульсы напряжения, амплитуда которых превышает 58 В. Для достижения требуемых характеристик компания Infineon в своих силовых приборах использует различные полупроводниковые технологии, обеспечивающие величину пробивного напряжения в

диапазоне 75…90 В (см. также Рис. 9.49). Что касается обратной полярности, то полупроводниковый модуль должен без использования дополнительных защитных цепей выдерживать кратковременную (на период не более 100 мс) подачу на вывод питания отрицательного напряжения –2 В.

Выше уже упоминалось, что снижение рабочих токов позволяет уменьшить площадь кристаллов полупроводниковых компонентов и, соответственно, снизить стоимость этих компонентов.

Рис. 9.46. Меньший по размеру кристалл в меньшем корпусе означает меньшую стоимость

силового полупроводникового компонента.

На Рис. 9.45 приведена зависимость площади, занимаемой силовым транзистором на кристалле, от рабочего напряжения при условии, что мощность нагрузки и потери на переключение остаются неизменными. Площадь кристалла пропорциональна произведению проводимости полупроводникового ключа на его удельное сопротивление в открытом состоянии. Величина этого сопротивления зависит не только от приложенного рабочего напряжения, но и от максимально допустимого напряжения с учётом возможных перегрузок. На Рис. 9.45 предусмотрена возможная перегрузка напряжением 30 В.

С ростом рабочего напряжения площадь силового компонента на кремниевом кристалле сначала резко уменьшается (вследствие повышения проводимости транзисторного ключа), после чего график выходит на пологий участок с небольшим повышением. Тем не менее, при напряжении 42 В требуемая площадь кристалла оказывается в 5 раз меньше, чем при напряжении 14 В.

Таким образом, мощные силовые ключи, работающие в системе бортового электропитания 42 В, могут иметь значительно меньшую площадь кристалла, чем ключи, работающие при тех же условиях в сети 14 В. Эти меньшие по размерам кристаллы могут, соответственно, быть размещены в меньших корпусах (см. Рис. 9.46).

На Рис. 9.46 показаны транзисторные ключи, предназначенные для коммутации нагрузки мощностью 280 Вт (например, электрообогрев заднего стекла автомобиля) при напряжениях питания 14 В и 42 В. При напряжении питания 14 В эту функцию реализует ключ в корпусе TO218, имеющий сопротивление в открытом состоянии 2.9 мОм. При напряжении 42 В вполне достаточно использовать ключ с сопротивлением 18 мОм в миниатюрном корпусе D-PAK, при этом потери мощности оказываются меньше, чем в первом случае. Как нетрудно догадаться, размещение меньшего по размерам полупроводникового кристалла в меньшем корпусе при меньших потерях мощности означает возможность резкого снижения стоимости данного компонента.

На Рис. 9.47 приведены более подробные данные, необходимые для сравнительной оценки стоимости компонентов в двух вариантах их использования (за 100% взята стоимость компонента при напряжении питания 14 В). Подобная оценка может быть осуществлена двумя различными способами. Если выбрать вариант оптимизации стоимости самого компонента, то при напряжении питания 42 В размер кристалла уменьшится до 20% от исходного (т.е. в 5 раз). При этом уровень потерь мощности в ключе остаётся постоянным, а сопротивление ключа в открытом состоянии возрастает примерно

14 В:

IMotor = 90 A

Выходной

каскад

системы EPS

42 В:

IMotor = 30 A

Рис. 9.47. Оценка стоимости полупроводниковых компонентов, применяемых в типичной системе электромеханического рулевого управления EPS.

в 9 раз. Выигрыш достигается за счёт уменьшения стоимости кристалла и корпуса, в котором этот кристалл размещён.

При использовании другого подхода с увеличением рабочего напряжения до 42 В размер кристалла и, в первом приближении, его стоимость остаются без изменений. Это увеличивает сопротивление ключа в открытом

состоянии примерно в 1.4 раза, зато потери мощности уменьшаются до 16% (т.е. в 6 раз). Выигрыш в стоимости здесь достигается за счёт резкого снижения требований к тепловому режиму работы компонента. Таким образом, в любом случае при повышении напряжения питания стоимость компонента снижается либо за счёт меньшей цены кристалла, либо за счёт экономии на теплоотводе. В качестве примера, на Рис. 9.47 приведены параметры мощного ключевого каскада, используемого в электромеханической системе рулевого управления (EPS). Схема, рассчитанная для напряжения питания 14 В, содержит 6 мощных МОП-транзисторов с сопротивлением RON = 4.5 мОм в корпусах TO220 с суммарной мощностью потерь 300 Вт. При напряжении питания 42 В они могут быть заменены либо на 6 транзисторов с RON = 6.5 мОм в корпусах TO220 с суммарной мощностью потерь 50 Вт, либо на 6 малогабаритных транзисторов с RON = 20 мОм в корпусах D-PAK с суммарной мощностью потерь 150 Вт.

На Рис. 9.48 представлены комплексные схемы систем электропитания автомобиля в целом. Очевидно, что при использовании напряжения 42 В выходные каскады могут быть подобраны с точки зрения требований по габаритам и потерям мощности. В то же время все остальные подсистемы, например микроконтроллеры и модули памяти, работающие при напряжении питания 5 В или менее, остаются без изменений.

Система электропитания 12 В

Технология

SPT4/90

VBr > 90 В

S-SMART/80

VBr > 80 В

OptiMOS/75

VBr > 75 В

Компоненты

Интеллектуальные силовые ИС

VAZ > 80 В

Интеллектуальные мощные ключи

VAZ > 65 В

FET/TEMPFET

VBr > 75 В

Исполнение Область применения

Сроки появления на рынке/модель