Gewährleistung der Sicherheit von Kraftfahrzeugen durch hochzuverlässige Induktivitäten

Hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Systeme für automatisiertes Fahren (ADS) sind sicherheitskritische Systeme für autonomes Fahren in der Automobiltechnik, die aus einem oder mehreren hochentwickelten Prozessoren bestehen, die auf der Grundlage der Eingaben mehrerer Sensoren wichtige Entscheidungen treffen. Diese Prozessoren arbeiten in der Regel mit verschiedenen niedrigen Spannungsniveaus, können aber Strom im zweistelligen Amperebereich (A) aufnehmen.

Integrierte Schaltungen für das Energiemanagement (Power Management Integrated Circuits, PMICs) werden verwendet, um die Prozessoren mit mehreren Spannungen zu versorgen, aber sie benötigen dafür zusätzlich hochzuverlässige Induktivitäten, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten. Diese Induktivitäten müssen in der Lage sein, große Ströme mit geringen Verlusten bei Leistungsschaltfrequenzen von bis zu 10 Megahertz (MHz) zu verarbeiten. Die Induktivitäten müssen auch volumetrisch effizient sein und eine kleine Leiterplattenfläche sowie ein niedriges Profil aufweisen. Wie alle Komponenten in autonomen Fahrsystemen müssen sie die strengen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstandards erfüllen, die von der Automobilindustrie gefordert werden, wie etwa AEC-Q200.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Anforderungen für ADAS/ADS. Anschließend werden Induktivitäten von TDK vorgestellt, die speziell für diese Anwendungen entwickelt wurden, und es wird gezeigt, wie ihre einzigartigen Eigenschaften zu einem robusten und sicheren Fahrzeugdesign beitragen können.

Autonome Fahrsysteme

Ein typisches ADAS/ADS verwendet einen speziellen Prozessor, der mit mehreren Sensoren verbunden ist, um die für das autonome Fahren erforderlichen schnellen Entscheidungen zu treffen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Prozessor in einem ADAS/ADS benötigt eine zuverlässige Niederspannungsversorgung mit hohen Stromstärken, die von einem PMIC geliefert wird, um das Fahrzeug auf der Grundlage von Sensoreingaben zu steuern. (Bildquelle: EPCOS-TDK)

Die Stromschienenspannung für diese Prozessoren ist in der Regel niedrig, etwa 1 Volt, aber die Stromstärken können im Bereich von 10 Ampere liegen, was eine große Belastung für den PMIC darstellt. Der Sekundärwandler in Abbildung 1 verwendet acht Leistungsdrosseln mit dem PMIC zur Stromversorgung des Prozessors.

Leistungsdrosseln sind passive Bauelemente, die Energie in ihren elektromagnetischen Feldern speichern und häufig in Stromversorgungsschaltungen und Gleichspannungswandlern eingesetzt werden. Die Leistungsdrosseln, die mit dem PMIC als Abwärtswandler verwendet werden, sind Schlüsselkomponenten, die die Leistung des Leistungswandlungsprozesses beeinflussen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein vereinfachtes Schaltbild eines einzelnen Abwärtswandlers verdeutlicht die Rolle der Leistungsinduktivität. (Bildquelle: EPCOS-TDK)

Ein Abwärtswandler erzeugt eine Ausgangsspannung, die niedriger ist als die Eingangsspannung. In einem Abwärtswandler wird ein Schalter in Reihe mit der Eingangsspannungsquelle (V_IN) geschaltet. Die Eingangsquelle speist den Ausgang über den Schalter und einen Tiefpassfilter. Der Filter ist mit einer Leistungsdrossel und einem Ausgangskondensator ausgestattet. Im Dauerbetrieb, wenn der Schalter für eine Dauer von T_ON eingeschaltet ist, treibt der Eingang den Ausgang sowie die Leistungsinduktivität. Während dieser T_ON-Periode wird die Spannungsdifferenz zwischen V_IN und der Ausgangsspannung (V_OUT) an die Induktivität in Durchlassrichtung angelegt, wie durch den Pfeil „Switch ON“ angezeigt. Der Strom durch die Induktivität (I_L) steigt linear auf I_peak an.

Wenn der Schalter ausgeschaltet ist (T_OFF), fließt der Induktionsstrom weiterhin in die gleiche Richtung, da die gespeicherte Energie aus der Induktivität über die Kommutierungsdiode weiterhin Strom an die Last liefert, wie durch den Pfeil „Switch OFF“ veranschaulicht. Während dieser T_OFF-Periode liegt die Ausgangsspannung V_OUT in umgekehrter Richtung an der Induktivität an, und der Induktionsstrom sinkt vom Spitzenwert I_peak ab. Daraus ergibt sich ein dreieckiger Brummstrom. Die Größe des Brummstroms hängt von der Induktivität der Leistungsdrossel ab. Der Wert der Induktivität wird im Allgemeinen so eingestellt, dass sich ein Brummstrom von 20 % bis 30 % des Ausgangsnennstroms ergibt. Die Ausgangsspannung ist proportional zum Tastverhältnis des Schalters.

Wird die Last plötzlich erhöht, kommt es zu einem Abfall der Ausgangsspannung, was zu einem ungewöhnlich hohen Spitzenstrom durch die Leistungsdrossel in kurzer Zeit führt, um den Ausgangskondensator zu laden. Der Wert der Leistungsdrossel wirkt sich auf das Einschwingverhalten des Umrichters aus: Kleine Induktivitätswerte verkürzen die Erholungszeit, größere Werte verlängern sie.

In der Fahrzeugumgebung müssen diese Induktivitäten sehr hohe elektrische und mechanische Anforderungen erfüllen. An erster Stelle steht dabei die hohe Zuverlässigkeit. Die Zuverlässigkeit und Qualität von passiven Bauteilen, die für den Einsatz in Fahrzeugen bestimmt sind, werden nach den vom Automotive Electronics Council (AEC) festgelegten Normen geprüft. Passive Bauelemente sind nach AEC-Q200 qualifiziert, dem weltweiten Standard für Belastbarkeit, den alle passiven elektronischen Bauelemente erfüllen müssen, wenn sie für den Einsatz in der Automobilindustrie bestimmt sind. Die Tests umfassen die Beständigkeit gegen Stöße, Vibrationen, Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Lötwärme, Leiterplattenbiegung und elektrostatische Entladung (ESD). Die Tests umfassen zudem Temperaturtests von -40°C bis +125°C, wobei die Geräte extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Für Anwendungen im Automobilbereich müssen Induktivitäten kompakte Abmessungen haben und über den erwarteten Temperaturbereich im Automobilbereich arbeiten können. Letztere Fähigkeit erfordert einen niedrigen Serienwiderstand, um die Verlustleistung und den Temperaturanstieg zu minimieren. Die Induktivitäten sollten auch bei Leistungsschaltfrequenzen im Bereich von 2 bis 10 MHz arbeiten können, die typischerweise von PMICs verwendet werden, und auch hohe transiente Lasten mit der Möglichkeit hoher Sättigungsströme bewältigen können.

Leistungsdrosseln für die Automobilindustrie

Die Leistungsdrosseln der Serie CLT32 von EPCOS-TDK wurden für ADAS/ADS-Anwendungen entwickelt und zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, hohe Nennströme, niedrigen Serienwiderstand, hohe Sättigungsströme und geringe Abmessungen aus (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Leistungsdrosseln der Serie CLT32 von TDK verfügen über eine einteilige Spulen-/Anschlussstruktur mit einer dicken Kupferwicklung ohne interne Verbindungen. Die magnetische Formmasse sorgt für ein weiches Sättigungsverhalten. (Bildquelle: EPCOS-TDK)

Die Leistungsdrosseln CLT32 bestehen aus einer einteiligen, dicken Kupferspule mit integrierter Anschlussstruktur. Das bedeutet, dass es keine internen Verbindungen gibt, die einen unzuverlässigen Betrieb verursachen könnten. Die dicke Kupferspule hält auch den Serienwiderstand auf niedrigen 0,39 Milliohm (mΩ), um die Leistungsverluste zu minimieren. Der geringere Widerstand führt auch zu einer geringeren Wärmeentwicklung unter Last.

Die Spule ist mit einer neu entwickelten ferromagnetischen Kunststoffverbindung umspritzt, die sowohl den Kern als auch das äußere Gehäuse der Spule bildet. Das Kernmaterial hat hervorragende elektrische Eigenschaften, auch bei hohen Temperaturen und in Hochfrequenzanwendungen. Besonders hervorzuheben sind die geringen Kernverluste. Außerdem kann das Material bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur verarbeitet werden, was die Belastung der Spule während der Produktion minimiert.

Das Kernmaterial bietet im Vergleich zu alternativen Ferritmaterialien eine weiche Sättigungscharakteristik. Die Änderung der Induktivität infolge der magnetischen Sättigung wird als Sättigungsdrift bezeichnet und als prozentuale Änderung der Induktivität gemessen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Als Reaktion auf die magnetische Sättigung zeigt der CLT32-Kern eine geringe Sättigungsdrift und damit ein weiches Ansprechverhalten. (Bildquelle: EPCOS-TDK)

Das CLT32-Kernmaterial bietet eine deutlich geringere Änderung des Induktivitätswerts aufgrund von Sättigung, insbesondere bei höheren Temperaturen. Darüber hinaus werden maximale Sättigungsströme von bis zu 60 A geboten.

Die gesamte Spule passt in ein flaches Gehäuse mit den Abmessungen 3,2 mm x 2,5 mm x 2,5 mm. Dieser hohe volumetrische Wirkungsgrad bedeutet, dass mehrere Induktivitäten verwendet werden können, ohne dass das Design auf eine größere Leiterplatte verlagert werden muss. Die Drosseln sind für den Betrieb in einem Temperaturbereich von -40°C bis +165°C ausgelegt. Dieser Temperaturbereich übersteigt die Anforderungen der oben erwähnten maximalen AEC-Q200-Testtemperatur von 125°C.

Die Leistungsdrosseln CLT32 von TDK sind mit Induktivitätswerten von 17 bis 440 Nanohenries (nH) erhältlich, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Abgebildet sind die spezifizierten Eigenschaften der Leistungsdrosseln CLT32 von TDK und ihr entsprechender Bestellcode. Alle passen in dasselbe 3,2 mm x 2,5 mm x 2,5 mm große flache Gehäuse. (Quelle der Tabelle: EPCOS-TDK)

In der Tabelle ist R_DC der Serienwiderstand der Spule. Beachten Sie, dass der Wert mit dem Induktivitätswert steigt, da für eine höhere Induktivität eine größere Anzahl von Windungen erforderlich ist. I_SAT ist der Sättigungsstrom, der auf der Verringerung des Induktivitätswerts aufgrund der Sättigung basiert und umgekehrt mit der Induktivität skaliert. I_temp ist der maximale Nennstrom, basierend auf dem Temperaturanstieg im Gehäuse. I_temp skaliert ebenfalls umgekehrt mit dem Induktivitätswert.

Die Verluste in einer Leistungsinduktivität umfassen Gleichstromverluste, die proportional zum Serienwiderstand der Spule sind. Hinzu kommen Wechselstromverluste durch den Skineffekt, Hystereseverluste und Wirbelstromverluste. Die AC-Wirbelstromverluste hängen mit dem Kernmaterial zusammen.

Im Vergleich zu alternativen Technologien, wie Dünnschicht- oder Metallverbunddrosseln, weisen die CLT32-Drosseln eine geringere Brummstrom-Verlustleistung auf (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die CLT32-Leistungsdrosseln haben eine geringere Brummstrom-Verlustleistung als Dünnfilm- oder Metallverbunddrosseln. (Bildquelle: EPCOS-TDK)

Geringe AC-Brummstromverluste bedeuten, dass höhere Brummströme toleriert werden können, was niedrigere Kapazitätswerte in DC/DC-Wandlern ermöglicht.

Geringere Verluste bedeuten auch einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Induktivitätstypen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der Leistungsvergleich von Leistungsdrosseln in einem Abwärtswandler mit einem Ausgang zeigt den höheren Wirkungsgrad der CLT32-Leistungsdrosseln. (Bildquelle: EPCOS-TDK)

Bei leichten Lasten dominieren die Kernverluste den Wirkungsgrad der Leistungsdrossel. Eine höhere Belastung verringert den Wirkungsgrad aufgrund von Widerstandsverlusten. In allen Fällen sind die CLT32-Leistungsdrosseln besser als die alternativen Technologien.

Fazit

Die innovativen Designkonzepte der CLT32-Serie von TDK bieten kleinere Baugrößen und eine bessere elektrische Leistung als vergleichbare Technologien und gewährleisten gleichzeitig eine höhere Zuverlässigkeit. Ihr großer Temperaturbereich und ihr breiter Frequenzbereich machen sie zu idealen Komponenten für den Einsatz in ADAS/ADS-Designs der nächsten Generation.