Verwendung anwendungsspezifischer ICs zur Vereinfachung des Designs der Automobiltür-Elektronik

Bis 2030 wird die Elektronik 50 Prozent der Kosten eines Fahrzeugs ausmachen, wobei ein Wachstumsbereich für elektronische Inhalte die Autotür sein wird. Die Entwicklung der Türelektronik ist eine Herausforderung; jede Tür erfordert einen Controller, ein Controller Area Network (CAN) oder einen Local Interconnect Network (LIN) Transceiver zur Verbindung mit den übrigen Fahrzeugsystemen, mehreren Motortreibern und Spannungsreglern. Das Design dieser Geräte und Netzwerke kann komplex, kostspielig, gewichtig und zeitaufwendig werden, weshalb Designer nach Möglichkeiten suchen, Anwendungen zu vereinfachen und die Stückliste (BOM) zu rationalisieren.

Anwendungsspezifische Standardprodukte (ASSPs), die für Automobilanwendungen entwickelt wurden, erleichtern dem Entwickler die Arbeit. Darüber hinaus ermöglichen es diese Lösungen dem Konstrukteur, je nach Komplexität des Designs und Kostenbeschränkungen entweder einen zentralisierten oder dezentralisierten Ansatz für die Türelektronik zu nutzen.

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung vernetzter elektronischer Türsysteme und erläutert die jeweiligen Vor- und Nachteile der zentralisierten und dezentralisierten Ansätze. Der Artikel untersucht dann, wie ASSPs verwendet werden können, um das Design einer einzelnen Body Control Unit (BCU) für ein zentralisiertes Design oder individuelle BCUs für jede Tür im dezentralisierten Ansatz zu vereinfachen. Der Artikel befasst sich auch damit, wie sich diese Ansätze über CAN- und LIN-Lösungen in das fahrzeuginterne Netzwerk (IVN) des Fahrzeugs integrieren lassen. Als Beispiel werden Lösungen aus ON Semiconductor verwendet.

Die Entwicklung der Automobilelektronik und der Netzwerkfunktionen

Die Automobilelektronik begann mit dem Bedarf an Motorsteuergeräten (ECU) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, als diese in den 70er Jahren die Vergaser zu ersetzen begannen. Seitdem hat sich die Elektronik stark verbreitet. Heute verfügt ein Premiumfahrzeug über umfassende elektronische Systeme für vier Schlüsselbereiche:

• Der Antriebsstrang (Motorsteuerung, Getriebesteuerung, Anlasser/Lichtmaschine)
• Karosserie und Komfort (Beleuchtung, Klimaanlage, Sitz und Tür, schlüssellose Fernbedienung)
• Sicherheit (ABS, Servolenkung, Airbag, Fahrerassistenz)
• Infotainment (Navigation, Audio, Multimedia, zellulare Konnektivität, Bluetooth, Telematik, Armaturenbrett)

Jedes dieser Systeme verwendet dedizierte Rechenmodule, wobei die einzelnen Module über ein auf CAN- und/oder LIN-Technologie basierendes IVN miteinander verbunden sind.

CAN ist ein Fahrzeugbus-Standard, der es Rechenmodulen und Sensoren/Aktoren ermöglicht, ohne einen Host-Computer zu kommunizieren. Sie priorisiert die Verbindungen, so dass, wenn mehr als ein Gerät gleichzeitig sendet, das wichtigste Priorität hat, um Streitigkeiten zu vermeiden und sicherzustellen, dass kritische Funktionen nicht verzögert werden. CAN ist zu teuer, um für den Anschluss aller elektronischen Komponenten in einem Fahrzeug verwendet zu werden. Daher wird es häufig durch LIN ergänzt - das eine weniger komplexe und kostengünstigere serielle Verbindungstechnologie für nicht zeitkritische Funktionen verwendet, die normalerweise mit dem Fahrgastkomfort zusammenhängen -, um alle Geräte in das IVN aufzunehmen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die elektronischen Systeme, die mit der Tür eines Fahrzeugs verbunden sind. Wie in anderen Bereichen des Autos wird auch hier zunehmend Elektronik für den Fahrerkomfort eingesetzt.

Die meisten zeitgenössischen Autos haben elektronisch gesteuerte Fenster, Schlösser und Spiegel, und in jüngster Zeit werden Funktionen wie Einklemmschutz eingeführt. Luxusfahrzeuge verfügen über eine Entfrostung der Außenspiegel, spiegelmontierte Blinker und eine Türinnenbeleuchtung. High-End-Modelle der nächsten Generation werden mit einer elektrochromen Spiegelsteuerung ausgestattet, die den Außenspiegel je nach Helligkeit der Lichter des übrigen Verkehrs abdunkelt.

Dezentralisierte vs. zentralisierte Steuerung der Automobilelektronik

Eine zentralisierte Topologie für die Türelektronik ist derzeit der gebräuchlichste Ansatz, insbesondere für preiswertere Fahrzeuge mit eingeschränkter Türfunktionalität. Die BCU - ein Modul, das INV-Systeme, einen Mikroprozessor, Aktuatorentreiber und diskrete Komponenten umfasst - ist mit den Aktuatoren in jeder Tür durch eine stromführende Verdrahtung und eine separate Verdrahtung für die CAN- oder LIN-Kommunikation verbunden. Die Hauptvorteile dieses Ansatzes sind Kosten (es wird nur eine BCU benötigt) und Skalierbarkeit (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein zentralisiertes Türelektroniksystem spart Kosten durch den Einsatz einer einzigen BCU. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die zentralisierte Topologie gerät jedoch für Premium-Fahrzeuge in Ungnade, da sie ein viel höheres Maß an Funktionalität benötigen, was wiederum mehr Verkabelung erfordert. Infolgedessen werden die Kabelbäume schwer, komplex und teuer.

Die Alternative ist der dezentralisierte Ansatz, bei dem jede Tür ihre eigene BCU hat. Bei dieser Implementierung ist der Großteil der Verkabelung lokalisiert, wobei nur eine einzige Stromversorgung für die BCU (die dann die Energie lokal an die Türaktuatoren verteilt) und eine CAN- und/oder LIN-Verbindung, die sich auf den Rest des Fahrzeugs erstreckt, erforderlich ist. Die Hauptvorteile sind eine drastische Reduzierung des Gewichts, der Komplexität und der Kosten des Kabelbaums sowie die Flexibilität bei der Gestaltung der BCU, um sie an die spezifische Tür anzupassen, für die sie entworfen wurde. Beispielsweise benötigen BCUs an der Vordertür zusätzliche Funktionen zur Wartung von Türspiegeln (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein dezentralisiertes System reduziert das Gewicht und die Komplexität des Kabelbaums. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Während die dezentralisierte Topologie an Popularität gewinnt, gibt es keine Anzeichen dafür, dass der zentralisierte Ansatz verschwindet. Die Entscheidung für eine der beiden Entwurfsmethoden wird weitgehend durch den Kompromiss zwischen Kosten und Kabelbaumkomplexität bestimmt.

Die Anbieter bieten Lösungen an, die das Design von entweder dezentralisierten oder zentralisierten Lösungen vereinfachen. ON Semiconductor liefert zum Beispiel eine breite Palette von ASICs, ASSPs und diskreten Komponenten für die Türelektronik; die Entwickler können dann ihren bevorzugten Mikrocontroller frei wählen (Abbildung 3).

Abbildung 3: ON Semiconductor bietet eine Reihe von ASIC-, ASSP- und diskreten Lösungen für dezentralisierte und zentralisierte BCUs, wobei es dem Entwickler überlassen bleibt, seinen bevorzugten Mikrocontroller zu wählen. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Netzwerke im Fahrzeug

Unabhängig davon, ob sich die Konstrukteure für ein dezentrales oder zentrales Design zur Steuerung der Türelektronik entscheiden, müssen sie sicherstellen, dass die BCU in das IVN integriert ist. Die CAN-Konnektivität wird durch einen CAN-Controller in Verbindung mit einem CAN-Transceiver ermöglicht, der die Schnittstelle zwischen dem Controller und dem physikalischen Bus bildet. Beispiele für CAN-Transceiver, die für Automobilanwendungen geeignet sind, sind der NCV7341D21R2G von ON Semiconductor, ein Hochgeschwindigkeits-CAN-Baustein mit 1 Megabit pro Sekunde (Mbit/s). Der Chip verfügt über einen Differentialempfänger mit einem hohen Gleichtaktbereich für eine gute elektromagnetische Immunität (EMI) in anspruchsvollen Automobilumgebungen. Darüber hinaus sind die Bus-Pins des Chips gegen die Spannungstransienten geschützt, die elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen belasten können (Abbildung 4).

Abbildung 4: Typisches Anwendungsschema für den CAN-Transceiver NCV7341D21R2G mit 5-Volt-CAN-Controller. Der Transceiver ist eine gute Wahl für den Anschluss an das IVN für entweder dezentrale oder zentrale Autotürsysteme. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Ein dezentralisiertes System erfordert nicht nur CAN-Konnektivität zum IVN, sondern auch LIN-Konnektivität zwischen den vorderen und hinteren BCUs, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die vordere Tür-BCU ist mit dem CAN verbunden, aber um Kosten und Verkabelung zu sparen, ist die hintere BCU per LIN mit der vorderen BCU verkettet. LIN bietet eine einzige Leitung zu jedem Knoten, was die Verkabelung vereinfacht und die Kosten senkt. Während der Durchsatz auf maximal 20 Kilobit pro Sekunde (kbits/s) begrenzt ist, ist dies für die Steuerung von Geräten wie Türschlössern, Fenstern und Türspiegeln ausreichend.

Der NCV7321D12R2G LIN-Transceiver von ON Semiconductor ist eine gute Wahl für die LIN-Konnektivität von in Türen eingebauten Elektroniken. Der Chip enthält den LIN-Sender, den LIN-Empfänger, Power-on-Reset (POR)-Schaltungen, die thermische Abschaltung und vier Betriebsmodi (stromlos, Standby, Normal und Sleep). Die Modi werden durch die Versorgungsspannung (V_BB, 5 bis 27 Volt), die Eingangssignale Enable (EN) und WAKE sowie die Aktivität auf dem LIN-Bus bestimmt. Der Transceiver ist für maximalen Durchsatz optimiert und weist aufgrund der geringen Anstiegsgeschwindigkeit des LIN-Ausgangs gute EMI-Eigenschaften auf.

Die LIN-Topologie verwendet einen einzelnen Master-Knoten, der eine Reihe von bis zu 16 Slave-Knoten steuert. In einem dezentralisierten System enthalten die vorderen und hinteren BCUs einen Master-Knoten, während Peripherieeinheiten wie Fenstersteuertafeln Slave-Knoten enthalten (siehe Abbildung 2). Der Masterknoten koppelt den LIN-Transceiver mit einem geeigneten Mikrocontroller (Abbildung 5).

Abbildung 5: Typisches Anwendungsschema für den LIN-Transceiver NCV7321D12R2G in Masterknotenkonfiguration. Jeder Master-Knoten kann bis zu 16 Slave-Knoten steuern. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Treiber für Türantriebe

Weitere Schlüsselkomponenten von BCUs für dezentralisierte oder zentralisierte Topologien sind die Aktuatortreiber, die für die Stromversorgung der Türschlösser, Spiegel, Fenster und anderer Systeme erforderlich sind. ON Semiconductor bietet mit dem NCV7703CD2R2G einen Dreifach-Halbbrückentreiber an, der speziell für automobile und industrielle Bewegungssteuerung für diese Anwendungen entwickelt wurde. Die drei Halbbrückentreiber können unabhängig voneinander über ein Standard Serial Peripheral Interface (SPI) angesteuert werden und liefern eine typische Ausgangsleistung von 500 Milliampere (mA) bei maximal 1,1 Ampere (A). Der Chip kann mit einer Versorgungsspannung von 3,15 bis 5,25 Volt und einer Lastspannung von 5,5 bis 40 Volt betrieben werden.

Eine wichtige Designeinschränkung ist die maximale Werkzeugtemperatur. Eine Die-Temperatur von 150°C sollte nicht überschritten werden, auch wenn sie eine Grenze dafür setzt, wie viele der drei Treiber des Geräts gleichzeitig verwendet werden können.

Die Steuerung der Endstufe (und die Fehlerberichterstattung) erfolgt über den SPI-Port. Eine EN-Funktion sorgt für einen niedrigen Ruhestrom-Schlafmodus, wenn der Baustein nicht verwendet wird, und ein Pulldown-Widerstand ist an den EN-, SI- und SCLK-Eingängen vorgesehen, um sicherzustellen, dass sie bei einem unterbrochenen Eingangssignal auf einen niedrigen Zustand voreingestellt sind.

Wie der Dreifach-Halbbrückentreiber NCV7703CD2R2G in einem Türspiegelpositionierungssystem verwendet wird, ist in Abbildung 6 dargestellt. Bei dieser Anordnung treibt der Ausgang der drei Halbbrückentreiber die beiden Elektromotoren an, mit denen der Spiegel in X- und Y-Richtung bewegt wird.

Abbildung 6: Ein Blockdiagramm des Dreifach-Halbbrückentreibers NCV7703CD2R2G von ON Semiconductor in einer Anwendung zur Einstellung der Spiegelposition zeigt, wie die Ausgabe der drei Halbbrückentreiber die beiden Elektromotoren antreibt, die zur Bewegung des Spiegels in X- und Y-Richtung verwendet werden. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Ein einziger Mikroprozessor kann zur Steuerung mehrerer NCV7703CD2R2G Dreifach-Halbbrückentreiber verwendet werden, wodurch die Stückliste der Türelektronik reduziert wird. Der effizienteste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, die Treiber parallel zu betreiben, wobei jedes Gerät im Multiplexbetrieb gesteuert wird.

In einer seriellen Konfiguration müssen die Programmierinformationen für das letzte Gerät in der seriellen Zeichenfolge zunächst alle vorherigen Geräte durchlaufen. Eine parallele Steuertopologie eliminiert diese Anforderung, allerdings auf Kosten der Einschränkung der Prozessorauswahl auf ein Gerät, das CSB-Pins (Chip Select) für jeden Treiber aufweist. Die seriellen Daten werden dann nur von dem Baustein erkannt, der über seinen jeweiligen CSB-Pin aktiviert wird (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Stücklistenkosten für Türelektronik können gesenkt werden, indem ein einziger Mikroprozessor zur Steuerung mehrerer Dreifach-Halbbrückentreiber verwendet wird. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Der Dreifach-Halbbrückentreiber NCV7703CD2R2G benötigt für den internen Betrieb eine 5-Volt-Regelung an seinem Versorgungseingang. Eine gute Option für diese Anforderung ist der ON Semiconductor NCV8518BPWR2G lineare Spannungsregler. Der Chip hat eine feste Ausgangsspannung von 5 Volt und reguliert innerhalb von ±2%. Er eignet sich für den Einsatz in allen Automobilumgebungen und hat eine niedrige Dropout-Spannung von typisch 425 Millivolt (mV) und einen niedrigen Ruhestrom von 100 Mikroampere (µA). Zu den Sicherheitsmerkmalen gehören thermische Abschaltung, Kurzschlussschutz und die Fähigkeit, Transienten von bis zu 45 Volt zu bewältigen. Der lineare Spannungsregler kann auch zur Stromversorgung des Mikroprozessors der BCU verwendet werden (Abbildung 8).

Abbildung 8: Der lineare Spannungsregler NCV8518BPWR2G ist eine gute Wahl für die Bereitstellung eines 5-Volt-Ausgangs für Aktuatorentreiber und Mikroprozessor auf einer BCU. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Ein alternativer linearer Spannungsregler für Teile der Türelektronik, die eine kostengünstigere Option erfordern, ist der NCV8184DR2G. Der Chip liefert eine einstellbare gepufferte Ausgangsspannung zwischen -3,0 und 45 Volt, die dem Referenzeingang eng folgt (±3,0 mV). Seine Betriebsspannung liegt zwischen 4,0 und 42 Volt.

Ein nützliches Merkmal des NCV8184DR2G ist, dass es in einer konventionellen Konfiguration einen Kurzschluss zur Autobatterie ohne Schaden überstehen kann (Abbildung 9). Der Chip kann auch einen Kurzschluss der Batterie überstehen, wenn er von einer isolierten Versorgung mit einer niedrigeren Spannung gespeist wird.

Abbildung 9: Der NCV8184DR2G ist eine kostengünstigere Option für die BCU-Spannungsregelung und hält einem Kurzschluss zur Fahrzeugbatterie stand. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Diskrete Komponenten

Zusätzlich zu monolithischen Bauelementen für IVNs, Aktuatorentreiber und Spannungsregelung bietet ON Semiconductor eine Reihe von diskreten Bauelementen für die Türelektronik, wie z.B. Zenerdioden in Automobilqualität. Diese können verwendet werden, um das empfindliche Silizium in BCUs vor Spannungsspitzen zu schützen, die durch externe Faktoren wie Blitzschlag und elektrostatische Entladung (ESD) verursacht werden, und zwar durch Unterdrückung von transienten Spannungen (TVS). (Weitere Informationen zum Schutz der Automobilelektronik finden Sie im Artikel der DigiKey-Bibliothek, "Stromkreisschutz mit TVS-Dioden erhöht die Zuverlässigkeit von CAN-Bussen.")

Eine zweite Anwendung für Zenerdioden - kombiniert mit einem Widerstand und MOSFET - soll die Grundlage für einen kostengünstigen und kompakten linearen Spannungsregler bilden. Ein linearer Spannungsregler kann aus diskreten Komponenten zusammengesetzt werden, die die Versorgungsspannung von der Fahrzeugbatterie regeln, um Aktuator-Vortreiber und Treiber zu versorgen (Abbildung 10). Eine Autobatterie liefert etwa 14 Volt, während die Versorgungsspannung (V_S) für den Dreifach-Halbbrückentreiber NCV7703CD2R2G zwischen 5,5 und 40 Volt liegen kann. Dieser einfache und kostengünstige lineare Zenerdioden-Spannungsregler hält eine konstante Spannung für die Türelektronik aufrecht, wenn die Ausgangsspannung der Autobatterie variiert.

Abbildung 10: Ein Teil einer Türelektronik BCU zeigt einen linearen Spannungsregler, der aus diskreten Komponenten zusammengesetzt ist (hervorgehoben). Das Gerät regelt die Fahrzeugbatteriespannung (Vbat) auf die für Stellgliedbrücken erforderliche Versorgungsspannung (VS). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Eine geeignete Zenerdiode für diese Anwendung ist die ON Semiconductor's SZBZX84C5V1LT3G. Hierbei handelt es sich um eine Zenerdiode für die Automobilindustrie (AEC-Q101), die im kompakten SOT-23-Gehäuse geliefert wird. Diese Geräte bieten Spannungsregelung bei minimalem Platzbedarf. Die Zenerdiode hat eine maximale Verlustleistung von 250 Milliwatt (mW) und eine Zener-Durchbruchspannungsfähigkeit von 2,4 bis 75 Volt, abhängig von der gewählten Komponente.

Der Vollregler benötigt einen Widerstand, um den durch die Zenerdiode fließenden Strom zu begrenzen. Der Widerstand sollte so gewählt werden, dass genügend Strom zur Last und zum Zener fließen kann, um eine Regelung zu ermöglichen, aber nicht viel mehr. Der Zener-Regler hat eine hohe Quellenimpedanz, da der gesamte Laststrom durch den Strombegrenzungswiderstand fließen muss, wodurch die Strommenge, die der Regler an die Last liefern kann, begrenzt wird. Diese Einschränkung wird durch die Pufferung des Ausgangs der Zenerdiode mit einem Source-Folger wie dem in Abbildung 10 gezeigten MOSFET überwunden. (Weitere Informationen finden Sie im Maker.io-Artikel "Zenerdioden-Regler mit Transistor-Strompuffer")

Fazit

Die Türelektronik ist zunehmend komplexer geworden, da die Automobilhersteller ihren Fahrzeugen immer mehr Funktionalität hinzufügen. Dieser Trend hat es für Ingenieure schwieriger gemacht, Systeme zu entwerfen, die strengen Kosten-, Gewichts-, Platz- und Zuverlässigkeitsanforderungen genügen.

Wie gezeigt, erleichtern ASICs, ASSPs und diskrete Komponenten, die zur Erfüllung von Automobilstandards entwickelt wurden und sich gegenseitig ergänzen, die Designherausforderung und ermöglichen einen modularen Ansatz für das Tür-Elektronikdesign. Ein solcher Ansatz macht es einfacher, Spezifikationen und Stücklistenauflagen zu erfüllen und gleichzeitig eine gute Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

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