Fahrzeuge der Zukunft werden noch mehr Technologie enthalten

Von Rich Miron

Zur Verfügung gestellt von Digi-Key Electronics

Früher machten elektronische Systeme lediglich ein Prozent des gesamten Fahrzeugs aus. Heutzutage jedoch haben die steigende Nachfrage der Verbraucher nach mehr Technologie und die zunehmenden technische Möglichkeiten dazu geführt, dass sich die Anzahl der elektronischen Steuereinheiten (ECUs, Electronic Control Units), die in einem Fahrzeug benötigt werden, vervielfacht hat. Beispielsweise können für einen modernen Pkw heutzutage 100 ECUs und bis zu 100 Millionen Zeilen Programmiercode erforderlich sein. Diese Zahlen zeigen, wie wichtig ECUs heutzutage im Automobilbau sind.

Moderne Hybridelektro- (HEVs) und Elektrokraftfahrzeuge (EVs) werden mit Strom angetrieben, um den CO2-Ausstoß zu verringern, und elektronische Systeme ersetzen immer häufiger manuelle und motorisierte Komponenten. All diese Dinge sorgen dafür, dass sich die zukünftige Fahrweise stark von der gegenwärtigen unterscheiden wird. Emissionsoptimierte HEVs und selbstfahrende, emissionsfreie EVs werden zusätzlich zur Kommunikation untereinander auch innerhalb des Fahrzeugsystems sowie mit der Infrastruktur von Städten und Straßen kommunizieren. Der Hintergrundartikel (in englischer Sprache) „Driving the Green Revolution in Transportation“ von Texas Instruments (TI) geht näher auf die Vorteile von HEVs und EVs ein.

Es gibt mehrere wichtige Faktoren, die für den rapiden Anstieg der Nachfrage nach HEVs und EVs bei den Verbrauchern verantwortlich sind:

  • Druck auf Verbrennungsmotoren durch Umweltvorschriften
  • Technologische Fortschritte bei Elektroantrieben und Akkus
  • Erwartungen der Verbraucher hinsichtlich Komfort und Infotainment

Doch es gibt einen einschränkenden Faktor, und zwar die Kapazitätsgrenzen der herkömmlichen 12-V-Bleiakkus, die aufgrund der zunehmenden Lastanforderungen dieser Innovationen an ihre Grenzen stoßen. Die Automobilindustrie hat jedoch eine Lösung entwickelt, um dieser erhöhten Nachfrage nach Elektrifizierung gerecht zu werden. Sie hat ein sekundäres 48-Volt-System entwickelt, das mehr Leistung liefert, als ein herkömmlicher 12-V-Akku allein bereitstellen kann. Diese Hochspannungssysteme erfordern jedoch aus Sicherheitsgründen umfassende Isolierungen und eine Isolationskontrolle, um die Fahrer und ihre Mitfahrer vor elektrischen Schlägen zu schützen und den Ausfall der Systemsicherheit zu verhindern.

Um diese Herausforderungen bei der Entwicklung zu meistern und sicherere und effizientere Transportsysteme zu ermöglichen, bietet TI zahlreiche Lösungen und Designhilfen an. Im Folgenden finden Sie eine Auswahl dieser Teile und Referenzdesigns.

TIDAs – Referenzdesigns von Texas Instruments

TIDA-03040 – Shunt-basiertes ±500-A-Referenzdesign für präzise Strommessungen in der Automobiltechnik: Dieses Shunt-basierte Referenzdesign (Abbildung 1) eines Stromsensors von TI liefert eine FSR-Genauigkeit von <0,2 % in einem Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C. Präzise Strommessungen sind in einer Reihe von Automobilanwendungen, wie z. B. beim Batteriemanagement, bei der Messung von Motorströmen usw. unerlässlich. Im Allgemeinen können Nichtlinearität, Temperaturdrift und Shunt-Toleranzen an diesen Stellen zu ungenauen Resultaten führen. Dieses Design löst diese Probleme mithilfe von Shunt-Strommesswiderständen (INA240) und Signalumformern (PGA400-Q1) von TI.

Blockdiagramm des Referenzdesigns TIDA-03040 von Texas Instruments

Abbildung 1: Das Blockdiagramm des Referenzdesigns TIDA-03040 von Texas Instruments für einen Shunt-basierten ±500-A-Präzisionsstromsensor in der Automobiltechnik. (Bildquelle: Texas Instruments)

TIDA-03050 – Referenzdesign mit Shunt-Stromsensor für Ströme im mA- bis kA-Bereich in der Automobiltechnik: Diese Referenzdesign zeigt, wie man Ströme im mA- bis kA-Bereich mithilfe eines stromschienenartigen Shunt-Widerstands erfasst. Die zunehmende Nachfrage nach Akkus mit hoher Kapazität in EVs und HEVs ist ein Treiber für die Anforderungen in Bezug auf größere Strombereiche und äußerst genaue Strommessungen. Eine gute Genauigkeit über drei Dekaden (mA bis A, 1 A bis 100 A und 100 A bis 1000 A) zu erreichen, ist angesichts des starken Systemrauschens eine große Herausforderung. Dieses Design löst dieses Problem mithilfe eines hochauflösenden Analog-Digital-Wandlers (ADC) und hochpräziser Strom-Shunt-Monitore von TI.

TIDA-01604 – Referenzdesign eines On-Board-Ladegeräts für HEVs/EVs mit einem Wirkungsgrad von 98,6 % und einer Totem-Pole-PFC-Schaltung (6,6 kW): Dieses Referenzdesign funktioniert auf der Basis eines Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC), der über einen Mikrocontroller C2000 (MCU) mit SiC-isolierten Gate-Treibern angesteuert wird (Abbildung 2). Das Design nutzt eine 3-Phasen-Verschachtelung und arbeitet im Dauerleitungsbetrieb (CCM, Continuous Conduction Mode), um bei 240 V Eingangsspannung und 6,6 kW Leistung einen Wirkungsgrad von 98,46 % zu erzielen. Die MCU C2000 ermöglicht Phasenabschaltung und adaptive Totzeitsteuerung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei Teillast. Die Gate-Treiberplatine (siehe TIDA-01605) kann einen Spitzenstrom von 4 A bereitstellen und von 6 A aufnehmen. Die Gate-Treiberplatine bietet eine verstärkte Isolation sowie eine Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) von mehr als 100 V/ns. Die Gate-Treiberplatine ist darüber hinaus mit einer zweistufigen Abschaltschaltung zum Schutz des MOSFETs bei Spannungsspitzen unter Kurzschlussbedingungen ausgestattet.

Bild: Referenzdesign TIDA-01604 von Texas Instruments für ein On-Board-Ladegerät für HEVs/EVs

Abbildung 2: Diese Abbildung zeigt das Referenzdesign TIDA-01604 von Texas Instruments für ein On-Board-Ladegerät für HEVs/EVs. (Bildquelle: Texas Instruments)

TIDA-01605 – Referenzdesign eines Zweikanal-SiC-MOSFET-Gatetreibers mit zweistufigem Abschaltschutz für die Automobiltechnik: Dieses Referenzdesign von TI ist eine für die Automobiltechnik geeignete, getrennte Gate-Treiberlösung für die Ansteuerung von SiC-MOSFETs in einer Halbbrückenkonfiguration. Zum Design gehören zwei Gegentakt-Spannungsversorgungen für den jeweiligen isolierten Zweikanal-Gatetreiber und jede Versorgung bietet eine Ausgangsspannung von +15 V und -4 V sowie eine Ausgangsleistung von 1 W. Die Gate-Treiberplatine kann einen Quellstrom von 4 A bereitstellen und einen Spitzenstrom von 6 A aufnehmen. Seine verstärkte Isolation hält Isolationsspannungen mit einem Spitzenwert von 8 kV und einem Effektivwert von 5,7 kV stand. Außerdem bietet es eine CMTI von mehr als 100 V/ns. Wie bereits erwähnt, verfügt das Referenzdesign darüber hinaus über eine zweistufige Abschaltung zum Schutz des MOSFETs bei Spannungsspitzen unter Kurzschlussbedingungen. Die DESAT-Erkennungsschwelle und die Verzögerungszeit bis zur Abschaltung der zweiten Stufe sind einstellbar. Der digitale Isolator ISO7721-Q1 dient als Schnittstelle für die Fehler- und Reset-Signale. Untergebracht ist dieses Referenzdesign auf einer kompakten, zweilagigen Platine mit 40 mm Kantenlänge.

TIDA-01168 – Referenzdesign für einen bidirektionalen DC/DC-Wandler für 12-/48-V-Automobilsysteme: Dieses Referenzdesign ist eine 4-phasige, bidirektionale DC/DC-Wandler-Entwicklungsplattform für 12-/48-V-Fahrzeugsysteme. Das System nutzt eine MCU TMS320F28027F sowie zwei Stromregler LM5170-Q1 zur Steuerung der Leistungsstufen. Die LM5170-Q1-Subsysteme nutzen die Rückkopplung des Strommittelwerts für die Stromregelung, wobei die MCU C2000 für die Spannungsrückkopplung zuständig ist. Mit einer solchen Steuerung entfällt das ansonsten für mehrphasige Wandler typische Ausgleichen der Phasenströme. Systeme auf Basis des LM5170-Q1 ermöglichen einen hohen Integrationsgrad, wodurch die benötigte Platinenfläche verringert, das Design vereinfacht und die Entwicklung beschleunigt werden.

Produkte

ISO7731-Q1: Die Komponenten aus der Produktfamilie ISO773x-Q1 sind leistungsstarke digitale Dreikanal-Isolatoren mit einer Nennisolierung von 5000 Veff (DW-Gehäuse) und 3000 Veff (DBQ-Gehäuse) gemäß UL 1577. Diese Komponentenfamilie besitzt eine verstärkte Nennisolierung gemäß CQC, CSA, TUV und VDE. Diese Komponenten bieten eine hohe elektromagnetische Immunität mit geringen Emissionen bei niedrigem Energieverbrauch sowie isolierte CMOS- oder LVCMOS-Digital-E/As. Die Logikeingangs- und -ausgangspuffer sind in jedem Isolationskanal durch eine Isolierungsbarriere aus Siliziumdioxid (SiO2) getrennt. Die Komponente verfügt über Freigabe-Pins, die verwendet werden können, um die jeweiligen Ausgänge für den Betrieb von Multi-Master-Anwendungen auf hohe Impedanz zu setzen und damit den Stromverbrauch zu reduzieren. Alle drei Kanäle der Komponente ISO7730-Q1 verlaufen in die gleiche Richtung, während die Komponente ISO7731-Q1 zwei vorwärts- und einen rückwärtsgerichteten Kanal besitzt. Bei Verlust der Eingangsleistung oder des Signals führt der Standardausgang bei Komponenten mit dem Suffix „F“ einen „Low“-Pegel und bei solchen ohne Suffix „F“ einen „High“-Pegel.

UCC21520-Q1: Bei dieser Komponente handelt es sich um einen isolierten Zweikanal-Gatetreiber (Abbildung 3). Sie stellt einen Quellstrom von 4 A bereit und kann Spitzenströme bis 6 A aufnehmen. Sie wurde zur Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs, SiC-MOSFETs und IGBTs mit bis zu 5 MHz bei niedriger Ausbreitungsverzögerung und Pulsweitenverzerrung konzipiert. Die Eingangsseite ist von den beiden Ausgangstreibern durch eine verstärkte 5,7-kVeff-Isolierung mit einer Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) von mindestens 100 V/ns getrennt. Dank der internen funktionellen Isolierung zwischen den beiden sekundärseitigen Treibern ist eine Arbeitsspannung von bis zu 1500 VDC möglich. Jeder Treiber dieses Designs kann als zwei Low-Side-Treiber, zwei High-Side-Treiber oder ein Halbbrücken-Treiber mit programmierbarer Totzeit (DT, Dead Time) konfiguriert werden. Über einen Disable-Pin werden beide Ausgänge gleichzeitig abgeschaltet, der im offenen oder geerdeten Zustand den Normalbetrieb zulässt. Aus Gründen der Ausfallsicherheit werden bei Logikfehlern auf der Primärseite beide Ausgänge zwangsweise auf den Low-Pegel gesetzt.

Funktionsblockdiagramm des isolierten Zweikanal-Gatetreibers UCC21520-Q1 von Texas Instruments

Abbildung 3: Funktionsblockdiagramm des isolierten Zweikanal-Gatetreibers UCC21520-Q1 von Texas Instruments. (Bildquelle: Texas Instruments)

UCC21222-Q1: Dieser isolierte Zweikanal-Gatetreiber mit programmierbarer Totzeit und großem Temperaturbereich zeigt durchgängig eine gute Leistung und hohe Robustheit bei extremen Temperaturbedingungen. Mit einem maximalen Quellstrom von 4 A und seiner Aufnahmefähigkeit für maximal 6 A ist er für die Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs, IGBTs und GaN-Transistoren konzipiert. Der UCC21222-Q1 kann als zwei Low-Side-Treiber, zwei High-Side-Treiber oder ein Halbbrückentreiber konfiguriert werden. Durch eine Verzögerung von 5 ns bei der Anpassung können zwei Ausgänge parallel betrieben und so die Treiberstärke bei hoher Last ohne die Gefahr eines internen Durchschlags verdoppelt werden. Die beiden Ausgangstreiber sind von der Eingangsseite durch eine verstärkte 3,0-kVeff-Isolierung mit einer Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) von mindestens 100 V/ns getrennt.

LM5170-Q1: Die wesentlichen Hochspannungs- und Präzisionselemente eines bidirektionalen Zweikanal-Wandlers für 48-V- und 12-V-Dual-Battery-Systeme in der Automobiltechnik werden durch den Controller LM5170-Q1 ermöglicht. Hierfür regelt er den Durchschnittswert des zwischen den Hoch- und Niederspannungsanschlüssen fließenden Stroms in der vom DIR-Eingangssignal vorgegebenen Richtung. Das Niveau der Stromregelung wird über analoge oder digitale PWM-Eingänge programmiert. Differenzielle Zweikanal-Strommessverstärker und dedizierte Kanalstrommonitore erzielen eine typische Stromgenauigkeit von 1 %. Die 5-A-Halbbrücken-Gate-Treiber sind in der Lage, parallel geschaltete MOSFET-Schalter mit 500 W oder mehr pro Kanal anzusteuern. Darüber hinaus verhindert der Diodenemulationsmodus der Synchrongleichrichter nicht nur negative Ströme, sondern ermöglicht auch den diskontinuierlichen Betrieb für einen höheren Wirkungsgrad bei geringen Lasten. Zu den vielseitigen Schutzvorrichtungen gehören der Überspannungsschutz an den HV- und LV-Anschlüssen, die zyklusweise Strombegrenzung, die MOSFET-Ausfallerkennung und der Übertemperaturschutz.

INA301-Q1: Diese Komponente umfasst einen hochpräzisen Gleichtakt-Strommessverstärker und einen Hochgeschwindigkeitskomparator, die so konfiguriert sind, dass sie einen Überstromschutz bieten. Hierfür wird die an einem Strommess- oder Nebenwiderstand abfallende Spannung gemessen und mit einem festgelegten Grenzwert verglichen. Der Grenzwertbereich dieser Komponente kann über einen einzelnen externen Stellwiderstand justiert werden. Diese Strom-Shunt-Monitore können unabhängig von der Versorgungsspannung Differenzspannungssignale bei Gleichtaktspannungen messen, die von 0 V bis 36 V variieren. Der Open-Drain-Alarmausgang kann optional so konfiguriert werden, dass er entweder im transparenten Modus betrieben wird, in dem der Ausgangsstatus dem Eingangszustand folgt, oder in einem Haltemodus, in dem der Alarmausgang gelöscht wird, wenn der Haltebetrieb zurückgesetzt wird. Die Reaktionszeit der Komponente beträgt weniger als 1 µs und ermöglicht so ein schnelles Erkennen von Überstromereignissen.

INA240-Q1: Die Komponente INA240-Q1 ist ein für den Fahrzeugbau geeigneter Strommessverstärker mit Spannungsausgang und verbesserter PWM-Unterdrückung. Er kann unabhängig von der Versorgungsspannung Spannungsabfälle an Shunt-Widerständen über einen großen Gleichtaktspannungsbereich von -4 V bis 80 V messen. Die negative Gleichtaktspannung ermöglicht den Betrieb der Komponente unter dem Massepegel, was die Flyback-Zeit typischer Solenoid-Anwendungen abdeckt. Die verbesserte PWM-Unterdrückung der Komponente bietet eine hohe Unterdrückung für große Gleichtakttransienten (ΔV/Δt) in Systemen, die PWM-Signale verwenden (z. B. Motorantriebe und Solenoid-Steuersysteme). Diese Funktion gewährleistet die präzise Strommessung ohne große Transienten und die damit verbundene Wiederherstellungswelligkeit der Ausgangsspannung. Der INA240-Q1 kann über eine einzelne 2,7- bis 5,5-V-Spannungsversorgung betrieben werden und zieht einen Strom von maximal 2,4 mA. Derzeit sind vier feste Verstärkungen verfügbar: 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V und 200 V/V. Dank des geringen Offsets der driftlosen Architektur wird eine Strommessung mit maximalen Spannungsabfällen über dem Shunt bis hinunter auf 10 mV des Gesamtmessbereichs möglich. Die Grade-1-Ausführungen sind für den erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 125 °C ausgelegt und werden in TSSOP- und SOIC-Gehäusen mit acht Anschlüssen angeboten. Die Grade-0-Ausführungen sind für den erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +150 °C ausgelegt und werden ausschließlich in SOIC-Gehäusen mit acht Anschlüssen angeboten.

AMC1305M05-Q1: Bei dieser Komponente handelt es sich um einen hochpräzisen Delta-Sigma-(ΔΣ)-Modulator, bei dem der Ausgang durch eine kapazitive, doppelte Isolationsbarriere mit sehr hoher Festigkeit gegenüber magnetischen Störungen von der Eingangsschaltung getrennt ist (Abbildung 4). Diese Isolationsbarriere wurde gemäß den Normen DIN V VDE V 0884-10, UL1577 und CSA für eine verstärkte Isolierung von bis zu maximal 7000 V zertifiziert. In Verbindung mit isolierten Netzteilen verwendet und verhindert der AMC1305M05-Q1, dass das eventuell vorhandene Stromrauschen einer Gleichtakt-Hochspannungsleitung auf die Erdung des lokalen Stromsystems übergeht und Niederspannungsschaltungen beschädigt. Diese Komponente ist für den direkten Anschluss an Shunt-Widerstände oder andere Signalquellen mit niedrigen Spannungspegeln optimiert und bietet eine hervorragende AC- und DC-Performance. Shunt-Widerstände werden üblicherweise für die Strommessung in On-Board-Ladegeräten, Traktionswechselrichtern oder anderen ähnlichen Automobilanwendungen verwendet. Durch den Einsatz eines geeigneten Digitalfilters (wie auf dem TMS320F2837x integriert) für die Untersetzung der Bitfolge kann die Komponente eine Auflösung von 16 Bit bei einem Dynamikbereich von 85 dB (13,8 ENOB) und einer Datenrate von 78 kSPS erreichen.

Vereinfachter Schaltplan des hochpräzisen Delta-Sigma-(ΔΣ)-Modulators AMC1305M05-Q1 von Texas Instruments

Abbildung 4: Vereinfachter Schaltplan des hochpräzisen Delta-Sigma-(ΔΣ)-Modulators AMC1305M05-Q1 von Texas Instruments. (Bildquelle: Texas Instruments)

TMS320F28069M: Die MCUs der für die Automobiltechnik geeigneten F2806x-Produktfamilie bieten die Leistung des C28x-Kerns und des Hardwarebeschleunigers (CLA), gekoppelt mit einer hochintegrierten Steuerungsperipherie in Komponenten mit einer geringen Anzahl von Pins. Diese Komponenten sind Code-kompatibel mit früherem C28x-basiertem Code und bieten ein hohes Maß an analoger Integration. Ein interner Spannungsregler ermöglicht den Single-Rail-Betrieb. Außerdem wurden Verbesserungen am HRPWM-Modul vorgenommen, um die Frequenzmodulation über beide Flanken zu gestatten. Analoge Komparatoren mit internen 10-Bit-Referenzen sind hinzugefügt worden und können direkt für die Ansteuerung der ePWM-Ausgänge genutzt werden. Der ADC, dessen Schnittstelle im Hinblick auf kurze Verarbeitungs- und Latenzzeiten optimiert worden ist, arbeitet über einen Festbereich von insgesamt 0 V bis 3,3 V und unterstützt ratiometrische VREFHI/VREFLO-Referenzen.

ISO1042-Q1: Bei dieser Komponente handelt es sich um einen galvanisch getrennten CAN-Transceiver (Controller Area Network), der die Spezifikationen der Norm ISO11898-2 (2016) erfüllt. Der ISO1042-Q1 bietet einen Bus-Fehlerschutz bis ±70 VDC und einen Gleichtaktspannungsbereich von ±30 V. Die Komponente unterstützt Datenraten bis 5 Mbit/s im CAN-FD-Modus und ermöglicht im Vergleich zum klassischen CAN eine viel schnellere Übertragung der Nutzdaten. Außerdem ist die Komponente mit einer Isolationsbarriere aus Siliziumdioxid (SiO2) ausgestattet, die eine Spannungsfestigkeit von 5000 Veff und eine Arbeitsspannung von 1060 Veff aufweist. Die elektromagnetische Verträglichkeit des ISO1042-Q1 wurde erheblich verbessert, um die Erfüllung der Anforderungen zum ESD-Schutz (Electrostatic Discharge, Elektrostatische Entladung), zum EFT-Schutz (Electrical Fast Transients, elektrische schnelle Transienten) und dem Schutz vor Stromspitzen und Emissionen auf Systemebene zu gewährleisten. Bei Verwendung im Verbund mit isolierten Spannungsversorgungen kann die Komponente vor hohen Spannungen schützen und verhindern, dass sich Rauschströme vom Bus auf die örtliche Masse auswirken. Der ISO1042-Q1 ist sowohl für die Basisisolierung als auch die verstärkte Isolierung erhältlich und kann bei Umgebungstemperaturen von -40 °C bis 125 °C eingesetzt werden. Die Komponente ist im SOIC-16-Gehäuse (DW) und in einem kleineren SOIC-8-Gehäuse (DWV) verfügbar.

Fazit

Der Automobilbranche steht eine strahlende Zukunft bevor. Die Designs werden jedoch komplexer, da die Fahrzeuge aufgrund von Umweltschutzbestimmungen und der Nachfrage der Kunden mit immer mehr Funktionen ausgestattet werden müssen. Um diese Funktionen unterstützen zu können, hat Texas Instruments eine Vielzahl an Referenzdesigns und Produkten im Angebot, mit deren Hilfe die Entwicklungsdauer verkürzt werden kann und diese Fahrzeugdesigns der Zukunft für den Kunden schneller zugänglich gemacht werden können.

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Über den Autor

Rich Miron

Rich Miron, Senior Technical Content Developer bei Digi-Key Electronics, ist seit 2007 in der Gruppe für technische Inhalte tätig und ist hauptsächlich für das Schreiben und Bearbeiten von Artikeln, Blogs und Produktschulungsmodulen verantwortlich. Vor Digi-Key hat er Mess- und Regelsysteme für Atom-U-Boote getestet und qualifiziert. Rich hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik von der North Dakota State Universität in Fargo.

Über den Verlag

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Digi-Key Electronics mit Sitz in Thief River Falls, Minnesota (U.S.A.), ist ein globaler Komplettanbieter von Elektronikbauteilen in Prototyp-, Design- und Produktionsstückzahlen und bietet mehr als sechs Millionen Produkte von mehr als 750 Markenherstellern über seine Digi-Key-Website an.