magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

digi key lidAz elektronikus rendszerek hagyományosan a járművek teljes értékének mindössze egy százalékát tették ki. Napjainkban azonban a fogyasztói igények több műszaki megoldást követelnek meg, és a rendelkezésre álló megnövekedett műszaki lehetőségek eredménye a rengeteg elektronikus vezérlőegység (ECU), amelyekre ma már a közúti járművektől az űrrakétákig mindenhol szükség van.

 

Egy csúcsminőségű személyautóba mostanság akár 100 ECU-ra és 100 millió sornyi programkódra is szükség lehet – ez sokkal több, mint amennyi a korábbi gépkocsikban volt, és bizonyíték arra, hogy mennyire fontosak az ECU-k a személygépkocsik fejlesztésében.
A fejlett elektronika térhódításával a villamosság egyre nagyobb szerepet kap, mivel a CO2-kibocsátás csökkentése érdekében az hajtja a hibrid gépkocsikat (HEV) és az elektromos járműveket (EV), miközben az eddig kézzel vagy motorokkal működtetett részegységek szerepét is elektronikus rendszerek veszik át. Mindez arra utal, hogy a gépkocsivezetés a jövőben nagyon másként fog majd kinézni, mint a jelenlegi közlekedésben. Optimalizált károsanyag-kibocsátású hibrid gépkocsik és önvezető, nulla károsanyag-kibocsátású elektromos járművek rendszerei kommunikálnak egymással a gépkocsin belül, illetve más autókkal, valamint a települések és a közúthálózat infrastruktúrájával. A Texas Instruments (TI) Driving the Green Revolution in Transportation (A közlekedés zöld forradalmának hajtóereje) címet viselő, tájékoztatási célú tanulmánya további részletekbe bocsátkozik a hibrid gépkocsik és az elekromos járművek előnyeiről.
Van néhány fontosabb tényező, amely ösztönzi a hibrid gépkocsik és az elektromos autók iránti fogyasztói igényeket:

  • A belső égésű motorokra a környezetvédelmi előírások révén kifejtett nyomás.

  • A villamos erőátvitel és az akkumulátortechnika fejlődése.

  • A fogyasztóknak a kényelemmel, valamint a szórakoztató és tájékoztató elektronikával szembeni elvárásai.

 figure 1

1. ábra  A Texas Instruments TIDA-03040 referenciatervének blokkvázlata, egy nagy pontosságú, ±500 A-es mellékáramkörös gépjárműipari áramérzékelő terve (A kép forrása: Texas Instruments)

 

Egy korlátozó tényező van, a hagyományos 12 V-os savas ólomakkumulátorok kapacitása, amely ezeknek az újításoknak az egyre növekvő áramigényei miatt már szűkösnek bizonyul.
A gépjárműipar már előállt egy megoldással, hogy megfeleljen a növekvő elektronikai igényeknek. Kifejlesztettek egy másodlagos 48 V-os elektromos rendszert, amely nagyobb teljesítményt nyújt, mint amire a hagyományos 12 V-os rendszer önmagában képes lenne. A nagyobb feszültségű rendszerek azonban biztonsági szempontból is nagyobb követelményeket támasztanak – komoly szigeteléseket és kontrollált leválasztásokat követelnek, hogy a vezetőt és az utasokat megvédjék az áramütéstől, ugyanakkor elkerüljék a rendszerbiztonság sérülését. A tervezési kihívások legyőzéséhez, valamint a közlekedési rendszerek biztonságosabb és jobb hatásfokú működéséhez a TI számos megoldást és tervezést támogató segédletet kínál. Az alábbiakban ezekből az alkatrészekből és referenciatervekből látható néhány.

 

TIDAs – Texas Instruments Reference Designs, azaz a Texas Instruments referenciatervei

TIDA-03040 – Nagy pontosságú, ±500 A-es mellékáramkörös gépjárműipari áramérzékelő referenciaterve. A TI ezen mellékáramkörös áramérzékelőjének referenciaterve (1. ábra) a –40 °C…+125 °C hőmérséklet-tartományban < 0,2% pontosságot garantál. A berendezések a gépjárműipar számos területén nagyon pontos áramérzékelést követelnek meg, beleértve az akkumulátorkezelő rendszereket, a villanymotorok áramellátását és egyéb területeket. Ezeken a kritikus alkalmazási területeken a pontatlanságot általában a nem-lineáris jelleggörbe, a hőmérséklet-változás miatti munkapont-elvándorlás és a mellékáramkörök tűrése okozza. A terv ezeket a problémákat küszö-böli ki a TI áramsöntfigyelői (INA240) és jelformázói (PGA400-Q1) segítségével.

 

TIDA-03050 – Gépjárműipari, mA…kA tartományban működő mellékáramkörös áramérzékelő referenciaterve, amelyben egy gyűjtősín típusú söntellenállást használnak a mA…kA tartományba eső erősségű áramérzékelésre. A hibrid gépkocsik és az elektromos járművek nagy kapacitású akkumulátorok iránti, egyre növekvő igényei nagyobb üzemiáram-tartományokat kívánnak meg, és az igények figyelése céljából nagy pontosságú áramérzékelők létrehozását teszik szükségessé. Az áram három mérési tartományban (mA…A, 1 A…100 A és 100 A…1000 A) való mérése meglehetősen nagy kihívást jelent, mert jelentős a rendszer zaja is. Ez a terv a probléma megoldásához a TI nagy felbontású analóg-digitális átalakítóját (ADC) és nagy pontosságú mellékáramköri áramfigyelőjét használja.

 

TIDA-01604 – Hibrid gépkocsikba és elektromos autókba szánt, 98,6% hatásfokú, 6,6 kW teljesítményű, totemoszlop-kapcsolású ellenütemű teljesítménytényező-javításos fedélzeti töltő referenciaterve. A referenciaterv alapját SiC-szigetelésű kapuvezérlőkkel rendelkező C2000 mikrovezérlővel (MCU) vezérelt szilícium-karbid (SiC) MOSFET-ek képezik (2. ábra). Ez a terv háromfázisú átlapolást valósít meg, amely folyamatos vezetési üzemmódban, 98,46%-os hatásfokkal működik – 240 V bemeneti feszültség mellett, 6,6 kW teljes teljesítményt szolgáltatva. Kis terhelés esetén a teljesítménytényezőt a C2000 mikrovezérlő által lehetővé tett fázisosztás és alkalmazkodó holtidő-szabályozás javítja. A kapuvezérlő-kártya (lásd az ezt követően tárgyalt TIDA-01605 leírását) 4 A forrásáramot tud szolgáltatni, és 6 A a befolyó csúcsárama, miközben megnövelték leválasztási ellenállását, és több mint 100 V/ns a közös módusú feszültséglökés elleni védettsége (CMTI). A kapuvezérlő-kártya tartalmaz még egy kétlépcsős oltóáramkört is, amely a MOSFET-et védi a túlfeszültségtől, ha rövidzár következne be.

  

figure 2

2. ábra  A Texas Instruments hibrid gépkocsik és elektromos autók fedélzeti töltőjéhez készült TIDA-01604 egységének referenciaterve (A kép forrása: Texas Instruments)

 

TIDA-01605 – Gépjárműipari kétcsatornás SiC MOSFET-kapuvezérlős referenciaterv kétlépcsős oltóáramkörös védelemmel. A TI ezen referenciaterve a SiC MOSFET-ek félhídkapcsolásban való vezérlésére szolgáló, gépjárműipari minősítésű, leválasztott kapuvezérlős megoldás. A kétcsatornás izolált kapuvezérlőt két ellenütemű előfeszítő egység táplálja, amelyek mindegyike ebben a tervben +15 V és – 4 V kimeneti feszültség és 1 W kimeneti teljesítmény szolgáltatására képes. Mint korábban említésre került, ez a kapuvezérlő 4 A forrásáramot tud szolgáltatni, és 6 A a befolyó csúcsárama. Az eszköz megnövelt leválasztási ellenállása képes ellenállni 8 kV leválasztási csúcsfeszültségnek és 5,7 kV RMS leválasztási feszültségnek, és több mint 100 V/ns a közös módusú feszültséglökés elleni védettsége (CMTI). Amint korábban már említésre került, a kártya tartalmaz még egy kétlépcsős oltóáramkört is, amely a MOSFET-et védi a túlfeszültségtől, rövidzár esetén. A terv tartalmaz egy DESAT szabályozható érzékelési küszöbértéket és késleltetési időt beállító egységet is a második lépcsőben lévő oltóáramkörhöz. A hibajelek és az alaphelyzetbe állító jel illesztésére egy ISO7721-Q1 digitális izolátort használnak a tervben. A referenciaterv egy kétrétegű, 40 mm × 40 mm méretű nyomtatott áramköri kártyán valósítható meg.

 

TIDA-01168 – Kétirányú egyenáramú (DC–DC) átalakító referenciaterve 12 V/48 V-os gépjárműipari rendszerekhez. Ez a referenciaterv 12 V/48 V-os autóipari rendszerekbe szánt négyfázisú, kétirányú egyenáramú (DC–DC) átalakítók fejlesztési platformjaként használható. A rendszer egy TMS320F28027F mikrovezérlőt és két LM5170-Q1 áramszabályozót használ a teljesítményfokozat szabályozására. A C2000 mikrovezérlő feszültség-visszacsatolást ad, miközben az LM5170-Q1 alrendszerek átlagáram-visszacsatolást használnak az áramszabályozáshoz. Ennek a szabályozási sémának a használata szükségtelenné teszi a többfázisú áramátalakítókra jellemző fázisáram-kiegyensúlyozást.
Az LM5170-Q1-alapú rendszerek nagy integráltsági fokot tesznek lehetővé, valamint a NYÁK méretének csökkentését, egyszerűsítve a tervezést és felgyorsítva a fejlesztést.

 

Termékek

ISO7731-Q1 – Az ISO773x-Q1 termékcsalád nagy teljesítményű, háromcsatornás digitális izolátorból áll, az UL 1577 minősítés szerint 5000 V RMS (DW tokozat), illetve 3000 V RMS (DBQ tokozat) leválasztási feszültséggel. A termékcsalád a CQC, CSA, TUV és VDE minősítések alapján megnövelt leválasztási paraméterekkel rendelkezik. Ezek az eszközök nagy elektromágneses védettséget kínálnak alacsony zavarjel-kibocsátás és kis fogyasztás mellett, miközben leválasztják egymástól a CMOS és LVCMOS digitális be- és kimeneteket. A logikai bemeneti és kimeneti puffereket minden szigetelőcsatornában szilícium-dioxid (SiO2) szigetelősáv választja el egymástól. Az eszköz lehetővé teszi, hogy több mesteregység vezérlése, illetve a kisebb fogyasztás érdekében a lábakra nagy ellenállással lehessen ráküldeni az adott kimenőjeleket. Az ISO7730-Q1 eszköznek mindhárom csatornája azonos irányú, míg az ISO7731-Q1 eszköznek két csatornája előrehaladó, egy pedig ellentétes irányú. Ha elveszne akár a bemeneti tápfeszültség, akár a jel, az alapértelmezett kimenőjel az F utótagú eszközök esetében alacsony szintű, az F utótag nélküli eszközök esetében magas szintű lesz.

 

UCC21520-Q1 – Ez az eszköz egy elkülönített kétcsatornás kapuvezérlő (3. ábra). 4 A forrásáramot tud szolgáltatni, és 6 A a befolyó csúcsárama. Maximum 5 MHz frekvencián működő teljesítmény-MOSFET-ek, SiC MOSFET-ek és IGBT-k (szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok) vezérlésére tervezték, kis terjedési késleltetés és impulzusszélesség-torzítás jellemzi. A bemeneti oldal és a két kimeneti vezérlő 5,7 kV RMS feszültségnek ellenálló megerősített szigetelősávval van elválasztva, a közös módusú feszültséglökés elleni védettsége (CMTI) minimum 100 V/ns. Az akár 1500 V-os üzemi egyenfeszültséget a két szekunderoldali vezérlő közötti belső működéselkülönítés teszi lehetővé. Az eszköz kialakításának köszönhetően minden vezérlő beállítható két alacsonyoldali vezérlőként, két magasoldali vezérlőként vagy programozható holtidejű (DT) félhidas vezérlőként. Mindkét kimenetet egyszerre kapcsolja le egy tiltóláb, amely lehetővé teszi a normál működést akkor is, ha az eszköz áramköre szakadt vagy testzárlatos. A primeroldali logika hibája esetén hibatűrő megoldásként mindkét kimenet alacsony jelre áll be.

 

UCC21222-Q1 – Ez az elkülönített kétcsatornás, programozható holtidejű, széles hőmérséklet-tartományban használható kapuvezérlő egységes teljesítményt nyújt és stabilan működik szélsőséges hőmérsékleti viszonyok között is. 4 A forrásárama és 6 A befolyó csúcsárama alkalmassá teszi teljesítmény-MOSFET-ek, IGBT-k és GaN tranzisztorok vezérlésére. Az UCC21222-Q1 többféleképpen beállítható: két alacsonyoldali vezérlőként, két magasoldali vezérlőként vagy félhidas vezérlőként. Az 5 ns-os késleltetés lehetővé teszi a két kimenet párhuzamosítását, ami nagy terhelések esetén a belső átütés kockázata nélkül kétszerezi meg a vezérlés erősségét. A két kimeneti vezérlő 3,0 kV RMS feszültségnek ellenálló szigetelősávval van elválasztva a bemeneti oldaltól, és a közös módusú feszültséglökés elleni védettsége (CMTI) minimum 100 V/ns.

 

LM5170-Q1 – A gépjárműipari 48 V-os és 12 V-os kettős akkumulátoros rendszerekhez készült kétcsatornás, kétirányú áramátalakítók fontos nagyfeszültségű és nagy pontosságú alkatrészeinek működését az LM5170-Q1 vezérlőegység szabályozza. Ezt úgy valósítja meg, hogy szabályozza a nagy- és kisfeszültségű portok között a DIR bemeneti jel által megszabott irányban folyó átlagáramot. Az áramszabályozási szint az analóg vagy az impulzusszélesség-modulációs (PWM) digitális bemeneteken át programozható. A jellemzően 1%-os áramerősség-pontosságot kétcsatornás áramkülönbség-érzékelő erősítők és kitüntetett csatornaáram-figyelők használatával éri el. Az 5 A-es félhidas kapuvezérlők képesek párhuzamos MOSFET-kapcsolókat vezérelni, ami csatornánként 500 W vagy még nagyobb teljesítmény elérését teszi lehetővé. Ezenkívül a szinkron egyenirányítók diódaemuláló üzemmódja nemcsak a negatív irányú áramot akadályozza meg, de lehetővé teszi a nem folytonos üzemmódú működést is, ami kis terhelések esetén javítja a hatásfokot. Az eszközt számos védelmi funkcióval is ellátták a MOSFET-ek hibaérzékelésétől a kis- (LV) és nagyfeszültségű (HV) portok túlfeszültségvédelmén és a ciklusonkénti áramkorlátozáson át a túlmelegedés-védelemig.

 

INA301-Q1 – Ez az eszköz tartalmaz egy nagy közös módusú áramérzékelő erősítőt és egy nagy sebességű komparátort is, amelyek úgy vannak beállítva, hogy túláramvédelmet nyújtsanak. Ezt úgy éri el az eszköz, hogy méri az áramérzékelő vagy áramsönt-ellenálláson eső feszültséget, és összehasonlítja azt a megadott küszöbértékkel. Az INA301-Q1 jellemzője a szabályozható küszöbérték-tartomány, amelyet egy külső küszöbérték-beállító ellenállással lehet beállítani. Ez az áramsöntfigyelő méri a közös módusú feszültségek különbségi jeleit, amelyek a tápfeszültségtől függetlenül 0–36 V között változhatnak. A nyitott nyelőjű MOSFET riasztási kimenete beállítható úgy, hogy átlátszó üzemmódban működjön, amikor a kimenet állapota a bemenetét követi, vagy reteszelt üzemmódban, amikor a riasztási kimenőjel törlődik a reteszáramkör nullázásakor. A túláramok gyors érzékelését az eszköz riasztási válaszidejének 1 µs-nál kisebb értékre állításával lehet elérni.

 

figure 3

3. ábra  A Texas Instruments UCC21520-Q1 jelű elkülönített kétcsatornás kapuvezérlőjének működési blokkvázlata (A kép forrása: Texas Instruments)

 

INA240-Q1 – A gépjárműipari minősítésű INA240-Q1 egy feszültségkimenetű áramérzékelő erősítő megnövelt PWM-elnyomással. Az eszköz széles közös módusú feszültségtartományban, –4 V és 80 V között képes érzékelni a söntellenállásokon eső feszültséget, a tápfeszültségtől függetlenül. A negatív közös módusú feszültség előnye, hogy lehetővé teszi az eszköz negatív feszültségtartományban (a testpont jelszintje alatt) való működését is, ami például a jellegzetes mágnestekercses készülékek visszafutási ideje alatt jön jól. Az eszköz megnövelt PWM-elnyomása a nagy közös módusú feszültséglökések (ΔV/Δt) sokkal jobb elnyomását teszi lehetővé a PWM-jeleket használó rendszerekben, amilyenek például a villanymotor-vezérlő és mágnestekercs-vezérlő rendszerek. Ez a funkció pontos árammérést tesz lehetővé nagy feszültséglökések és az azokhoz társuló, a kimeneti feszültségen jelentkező helyreállási brummfeszültség nélkül. Az INA240-Q1 egyetlen, 2,7 V – 5,5 V közötti tápfeszültséget igényel, és a legnagyobb áramfelvétele 2,4 mA. Jelenleg négy állandó erősítésű változatban kapható, amelyek: 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V és 200 V/V. Az eszköz alacsony offset, nulla drift kialakítása lehetővé teszi az áramérzékelést a söntellenálláson a teljes skálán mért mindössze 10 mV legnagyobb feszültségesés mellett. Az 1. kategóriás változatok 8 lábú TSSOP tokban és 8 lábú SOIC tokban kaphatóak, és a megnövelt –40 °C…+125 °C hőmérséklet-tartományban használhatóak. A 0. kategóriás változatok 8 lábú SOIC tokban kaphatóak, és a megnövelt –40 °C…+150 °C hőmérséklet-tartományban használhatóak.

 

figure 4

4. ábra  A Texas Instruments AMC1305M05-Q1 jelű, nagy pontosságú delta-szigma (ΔΣ) modulátorának egyszerűsített rajza (A kép forrása: Texas Instruments)

 

AMC1305M05-Q1 – Ez az eszköz egy nagy pontosságú delta-szigma (ΔΣ) modulátor kettős kapacitív leválasztósávval, amely erősen ellenáll a mágneses zavarásnak, és leválasztja a kimenetet a bemeneti áramkörről (4. ábra). A leválasztósáv a minősítés szerint megnövelt leválasztást biztosít maximum 7000 V csúcsfeszültségig a DIN V VDE V 0884-10, az UL 1577 és a CSA szabvány alapján. Ha elkülönített tápegységről kap tápfeszültséget, az AMC1305M05-Q1 megakadályozza a zajáramokat, amely a nagy közös módusú feszültségű vonalakon jelenhet meg a helyi rendszer „test”-ére csatlakozás, illetve a kisfeszültségű áramkör okozta zavarás vagy kisfeszültségű áramkörben keletkezett sérülés miatt. A söntellenállásokhoz vagy más kis feszültségszintű jelforrásokhoz való közvetlen kapcsolódásra tervezett eszköz kiváló egyenáramú és váltakozó áramú jellemzőkkel rendelkezik. A fedélzeti töltőkben, a vonóerőt szolgáltató villanymotorokat ellátó inverterekben és más hasonló gépjárműipari eszközökben általában söntellenállások segítségével érzékelik az áramerősséget. A bitfolyam decimálására (jel-mintaszám-csökkentésére) szolgáló megfelelő digitális szűrők használatával, amilyenek például a TMS320F2837x jelű eszközben vannak, az eszközzel 16 bites felbontás is elérhető 85 dB-es (13,8 ENOB) dinamikatartománnyal, 78 kS/s (78 ezer mintavétel/s) adatátviteli sebesség mellett.

 

TMS320F28069M – A gépjárműipari minősítésű F2806x Piccolo mikrovezérlő-termékcsalád a C28x mag és CLA teljesítménye mellett kis lábszámú eszközökben magas integráltsági fokú vezérlőperifériákkal büszkélkedhet. Ezek az eszközök kódszinten kompatibilisek a korábbi C28x-alapú kódokkal, és nagy analóg integráltsági fok jellemző rájuk. Egyéb jellemzői közé tartozik még a belső feszültségszabályozó, amely lehetővé teszi az egy tápfeszültségről való működést, valamint a HRPWM modul továbbfejlesztései, amelyek lehetőséget adnak a két él szerinti vezérlésre (frekvenciamoduláció). Ezenkívül belső 10 bites referenciájú analóg komparátorokkal lett bővítve az eszköz, amelyek beállíthatók közvetlenül az ePWM-kimenetek vezérlésére. Az analóg-digitális átalakító, amelynek illesztőfelülete kis saját fogyasztásra és késleltetésre van optimalizálva, a 0–3,3 V közötti fix, teljes tartományt konvertálja, és támogatja a VREFHI/VREFLO aránymérési hivatkozásokat.

 

ISO1042-Q1 – Ez az eszköz egy galvanikusan leválasztott CAN-hálózatra tervezett adó-vevő, amely megfelel az ISO11898-2 (2016) szabvány előírásainak. Az ISO1042-Q1 jelű eszköz ±70 V-os egyenfeszültségű buszhibavédelmet és ±30 V-os közös módusú feszültségtartományt kínál. Maximum 5 Mb/s sebességű adatátvitelt tesz lehetővé CAN FD üzemmódban, amely a hasznos adatok sokkal gyorsabb átvitele, mint amire a hagyományos CAN hálózat képes. Az eszközben van egy SiO2 szigetelősáv, amely elvisel 5000 V RMS feszültséget és 1060 VRMS üzemi feszültséget. Az ISO1042-Q1 elektromágneses összeférhetősége jelentősen javult, hogy az eszköz rendszerszinten megfeleljen az ESD, EFT, túláramvédelmi és zavarvédelmi előírásoknak. Ha egymástól elkülönített tápegységekről kap tápfeszültséget, az eszköz segít védelmet nyújtani a nagyfeszültség és a busznak a helyi rendszer „test”-ére kötése okozta zajáram ellen. Az ISO1042-Q1 elérhető alapszintű és megnövelt leválasztási ellenállást igénylő készülékekben való felhasználásra szánt változatban is, és széles, –40 °C…+125 °C közötti hőmérséklet-tartományban használható. Kétféle, SOIC-16 (DW) és a kisebb SOIC-8 (DWV) tokozásban kapható.

 

Következtetés

A gépjárműipar fényes jövő elé néz. A tervek azonban egyre bonyolultabbak lesznek, ahogy a környezetvédelmi előírások és a növekvő fogyasztói igények miatt egyre több funkcióval kell felruházni a járműveket. Annak érdekében, hogy segítse ezeknek a funkcióknak a megvalósítását, a Texas Instruments sokféle referenciatervet dolgozott ki, és számos terméket kínál, amelyek segítségével csökkenthető a tervezésre fordított idő, és ezek a jövő gépjárműveire jellemző funkciók hamarabb elérhetővé válnak a fogyasztók számára.

 

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: hermann.reiter@digikey.com

www.digikey.hu

 

Még több Digi-Key Electronics