F-RAM™ pour marchés automobiles

Introduction

Au fil des années, les automobiles dépendent de plus en plus de l'électronique. Les systèmes autrefois mécaniques ont évolué vers des blocs de commandes électroniques (ECU). Les nouveaux systèmes pour la sécurité automobile et l'infodivertissement utilisateur introduisent une complexité croissante et un plus grand besoin en ressources.

Présentation du sous-système électronique automobile

Les systèmes électroniques automobiles sont divisés en sous-systèmes indépendants mais connectés. Chaque sous-système est associé à une tâche spécifique et peut varier en termes de portée et de complexité d'une simple interface de commande radio à un système anti-collision complexe. Néanmoins, ces sous-systèmes partagent des structures de base, par exemple, une unité de microcontrôleur (MCU), une interface de bus système sous forme CAN, OBD2 et plus récemment Ethernet, des capteurs d'entrée et une logique de contrôle de sortie. Par ailleurs, de nombreux sous-systèmes nécessitent un stockage des données instantané et continu, impliquant des exigences de conception en termes de performances et d'endurance. C'est ici que la mémoire vive ferroélectrique (F-RAM) de Cypress a un rôle à jouer.

Figure 1 : Les sous-systèmes électroniques automobiles sont omniprésents.

La solution F-RAM permet aux systèmes de stocker des données en continu à pleine vitesse de bus, sans avoir besoin d'ajouter de la mémoire et sans surcharge pour gérer l'endurance des mémoires. En effet, la F-RAM est non volatile de manière instantanée, ne nécessitant aucun temps d'immersion supplémentaire pour stocker des informations. En outre, elle présente une endurance d'écriture de 10¹⁴ alors que celle de la plupart des mémoires EEPROM et FLASH est inférieure à 10⁶.

Si de nombreux systèmes ont besoin de stocker des données, cet article porte particulièrement sur ceux qui peuvent exploiter les avantages de la solution F-RAM. Par exemple, un simple bloc de commande électronique radio doit stocker des données prédéfinies et l'état actuel. Les valeurs prédéfinies par l'utilisateur ne sont pas susceptibles de changer régulièrement ; en effet, une fois définies, elles sont considérées plus ou moins comme une mémoire ROM. L'état actuel, en revanche, change régulièrement, mais sa restauration n'est pas aussi importante : l'ajout d'une mémoire non volatile à un simple système radio n'apporte donc aucune valeur. Cela dit, les systèmes de navigation et de divertissement plus avancés peuvent présenter des cas d'utilisation susceptibles de tirer profit des fonctionnalités F-RAM.

Cet article se penche sur cinq sous-systèmes automobiles (gestion des batteries, surveillance de la pression des pneus, freinage antiblocage, déploiement d'airbag et enregistreur de données d'événements) et identifie les fonctionnalités clés de chacune d'entre elles, leur permettant de tirer avantage de l'offre de produit F-RAM de Cypress.

Gestion des batteries

Un système de gestion de batterie (BMS) est un système de commande électronique qui surveille et contrôle les systèmes de batteries dans les véhicules électriques et hybrides. Les fonctions clés de l'unité consistent à protéger chaque cellule batterie contre les dommages, à prolonger la durée de vie de chaque cellule et à fournir une distribution d'énergie en temps réel au véhicule.

Le système BMS permet de surveiller les paramètres opérationnels de chaque cellule batterie de façon indépendante. Ces paramètres incluent la tension et le courant de cellule (à la fois pour la charge et la décharge) et la température de la cellule. Les batteries lithium-ion modernes présentent une densité de charge très élevée (stockage d'énergie) et une absorption de courant élevée (faible résistance interne), mais nécessitent un contrôle de fonctionnement très strict. L'une des principales causes de défaillance des cellules lithium-ion est la surcharge ou la sous-charge. Le système BMS est donc important pour tout système utilisant des cellules lithium-ion.

Dans les véhicules électriques et hybrides modernes, le système BMS communique avec d'autres sous-systèmes du véhicule, tels que le système de gestion du moteur pour contrôler la sortie de puissance, le sous-système de freinage pour un freinage régénératif, les sous-systèmes de sécurité pour une coupure de courant et les sous-systèmes d'habitacle tels que les systèmes de communications et d'infodivertissements.

La Figure 2 illustre une disposition du système BMS et des sous-systèmes connectés. Le système de base comprend un égaliseur qui sert à maintenir la charge appropriée sur chaque cellule et un bloc de commande électronique qui surveille la cellule. Le bloc de commande électronique collecte les données de température et de tension de chaque cellule ainsi que les demandes électriques d'autres sous-systèmes, et commande l'égaliseur pour conserver une charge équilibrée sur les cellules. Les cellules faibles sont chargées plus souvent, et les cellules plus résistantes sont davantage suscitées pour les demandes d'énergie. Cela permet de prolonger la durée de vie totale du bloc batterie.

Figure 2 : Système de gestion des batteries.

Il est important de pouvoir programmer le bloc de commande électronique pour différentes technologies de batterie, principalement les batteries lithium-ion et nickel-hydrure métallique. Le système doit également permettre une surveillance des performances de cellule à court terme (les derniers cycles de charge) et à long terme (sur la durée de vie). Cela est indispensable pour optimiser la durée de vie de la batterie. Par ailleurs, une surveillance à court terme de jusqu'à 60 fois par seconde est une exigence exclusive qui fait de l'endurance élevée de la solution F-RAM de Cypress une technologie de mémoire idéale pour l'application.

Surveillance de la pression des pneus

Le système de surveillance de la pression des pneus (TPMS) permet de surveiller la pression interne de tous les pneus et de signaler les pneus sous-gonflés. Depuis 2012, ce sous-système est obligatoire pour toutes les nouvelles voitures en Europe et aux États-Unis. Le système comprend deux modules clés : un capteur de pression sans fil et un enregistreur de données/récepteur sans fil. Les principales exigences du capteur de pression reposent sur la capacité d'auto-alimentation et de résistance aux forces environnementales imposées sur celui-ci par les pneus. Grâce à sa faible consommation, la solution F-RAM de Cypress est idéale pour le stockage de données sur le module de capteur.

L'enregistreur de données/le récepteur sans fil doivent permettre un stockage de données de tous les capteurs et émettre des alarmes pour l'utilisateur lorsque les points de déclenchement sont atteints. Grâce à l'endurance accrue de la solution F-RAM de Cypress, une détection de fuite plus élaborée est possible.

Figure 3 : Surveillance de la pression des pneus.

En stockant davantage d'historiques de pression, le système TPMS est non seulement capable de déclencher un événement à faible pression, mais également d'alerter l'utilisateur d'une faible fuite sur la durée. Cet historique de la pression des pneus est également utile pour l'analyse des défaillances de l'équipement et des accidents. La Figure 3 illustre la conception de base du système TPMS.

Freinage antiblocage

Le système de freinage antiblocage (ABS) permet d'empêcher un blocage des roues lors du freinage. Il s'agit d'un composant essentiel des systèmes de sécurité d'un véhicule, contribuant à offrir de meilleures performances en termes de freinage et de conduite sur des routes mouillées ou verglacées. Le système fonctionne par modulation de la pression des freins sur chaque roue de manière indépendante. Le système ajoute au système de freinage habituel un modulateur hydraulique et un bloc de commande électronique destiné à contrôler le modulateur. Le système lui-même ne requiert pas un volume important de mémoire non volatile pour fonctionner, mais comme pour le sous-système TPMS, la capacité à garder un journal de suivi des événements peut constituer une ressource inestimable pour déterminer les événements menant à un accident.

Le tampon glissant utilisé pour enregistrer les dernières secondes ou minutes des événements du système requiert l'absence de volatilité, des écritures rapides et une endurance élevée. La solution F-RAM de Cypress répond aux trois exigences du système. Avec des écritures rapides à retard nul, il n'existe aucun risque de perte de la partie importante de l'historique. De plus, avec son endurance d'écriture de 10¹⁴, la mémoire peut répondre aux exigences de cycle de vie du système. La Figure 4 illustre la conception de base du système ABS.

Figure 4 : Freinage antiblocage.

Déploiement d'airbag

Le sous-système de déploiement d'airbag est le principal système d'une classe de sous-systèmes appelés « systèmes de retenue supplémentaire (SRS) ». Le système SRS est utilisé conjointement avec les systèmes de retenue habituels tels que les ceintures de sécurité. Il présente deux composants clés : un coussin extensible en face avant et un accéléromètre ou un capteur de collision. Pour obtenir les performances nécessaires pour déployer le coussin en cas d'accident, un conteneur de gaz sous pression est utilisé. Cela fait de l'airbag un système à utilisation unique et destructeur d'autres composants dans le véhicule. Par conséquent, son déploiement est onéreux.

Figure 5 : Déploiement d'airbag.

En raison de la demande en matière de sécurité et du coût de remplacement, les fabricants ont ajouté divers capteurs supplémentaires pour surveiller et enregistrer la personne assise sur le siège. On trouve notamment un capteur de pression de présence de passager, servant à activer le sous-système d'airbag, ainsi que différents capteurs de position, pour optimiser l'efficacité du système d'airbag. Les données de position sont continuellement mises à jour et doivent être stockées vers le point de déploiement du système, et même après. La F-RAM hautes performances, basse consommation et haute endurance constitue une solution idéale en raison du besoin d'enregistrer en continu les données de position et de les stocker dans une mémoire non volatile.

Enregistreur de données d'événements

Un enregistreur de données d'événements (EDR) est un sous-système qui surveille et enregistre les informations relatives au fonctionnement d'un véhicule avant et après une collision. Ce système, également appelé « boîte noire », est un système autonome qui surveille des données provenant d'autres sous-systèmes dans un registre de suivi des événements en continu.

Le sous-système EDR comprend deux principaux blocs : une interface réseau et une mémoire non volatile. Depuis 2014, la plupart des véhicules aux États-Unis doivent être équipés d'un système EDR. Avec l'exigence de stocker des données d'un si grand nombre de sous-systèmes dans le véhicule, les performances d'écriture sur mémoire non volatile et l'adressage direct de la mémoire sont cruciaux.

La plupart des mémoires EEPROM et Flash comptent un délai d'écriture de 5 millisecondes durant lequel le dispositif n'est pas accessible et une panne de courant peut entraîner la perte des données. Le délai d'écriture de la solution F-RAM de Cypress est nul. Le dispositif est prêt avant l'horloge de bus suivante sur l'interface. De nombreuses autres mémoires non volatiles nécessitent également une procédure d'écriture, de modification et de lecture au niveau de la page pour stocker un seul octet de données, mais la solution F-RAM de Cypress est adressable en octet direct, permettant aux données de rester inchangées une fois écrites.

Navigation et infodivertissements

Les systèmes de navigation permettent au conducteur d'un véhicule de localiser les destinations et de recevoir le trajet correspondant. La plupart des systèmes de navigation utilisent des signaux GPS et des cartes électroniques pour aider les conducteurs à se rendre à leurs destinations.

Les systèmes de navigation doivent pouvoir démarrer en utilisant les données de localisation du cycle d'alimentation précédent pour localiser la position du véhicule lorsque le GPS est temporairement indisponible à cause de bâtiments ou d'autres obstructions. Dans cette situation, le système se base sur un point de démarrage connu du véhicule avec d'autres capteurs tels que la vitesse et la direction pour calculer sa position.

Figure 6 : Navigation.

Le système de navigation est souvent intégré au système de divertissement du véhicule pour permettre un accès au système audio et à l'écran du véhicule. Ce système combiné est appelé le « système d'infodivertissements ». L'avantage clé de la combinaison de ces systèmes est simple. Les deux systèmes impliquent une interaction considérable du conducteur, particulièrement le système audio. Avec les systèmes combinés, le système de navigation peut facilement accéder au système audio et l'interrompre pour transmettre d'importantes informations au conducteur.

Figure 7 : infodivertissements.

Module de commande moteur

Le module de commande moteur (ECM) est le sous-système le plus cher et le plus puissant dans les véhicules modernes. En général, il permet de contrôler tous les aspects de génération et de distribution de puissance dans le véhicule. Le module de commande moteur est en principe constitué d'un microcontrôleur 32 bits qui s'exécute à des vitesses dépassant les 100 MHz avec plusieurs mégaoctets de mémoire système, de diverses interfaces mémoire pour accéder à d'autres sous-systèmes et d'une douzaine de systèmes de commande de sortie et d'entrée. Il collecte les entrées utilisateur depuis diverses commandes et les entre, avec l'état actuel du moteur, dans un modèle de commande moteur qui commande les composants du moteur.

Avant les systèmes ECM électroniques, le concepteur de moteur devait équilibrer le comportement de celui-ci lors de la conception, mais avec l'introduction des systèmes ECM modernes, le comportement du moteur s'adapte en temps réel et permet à l'utilisateur d'appliquer différents profils de performances. Étant donné que le système ECM permet une adaptation en temps réel, il améliore considérablement les performances et le rendement du moteur.

Figure 8 : Module de commande moteur.

Les avantages de la solution F-RAM de Cypress reposent sur la manière dont le système enregistre son état actuel. En raison de l'usure de certains composants, le stockage de l'état actuel dans une mémoire non volatile permet au système de fonctionner efficacement dès la mise sous tension. D'autre part, étant donné que le système ne sait quand l'alimentation sera coupée, il doit continuellement stocker l'état du système, ce qui nécessite une endurance d'écriture élevée de la F-RAM.

Système automatique d'assistance au conducteur

Le système automatique d'assistance au conducteur (ADAS) est un ensemble de systèmes de sécurité conçus pour éviter l'accident. Ces systèmes incluent le freinage d'urgence autonome (AEB), l'alerte de franchissement involontaire de ligne (AFIL) et le régulateur de vitesse adaptatif (ACC), qui doivent pouvoir enregistrer et stocker des données en temps réel.

Les trois systèmes utilisent une forme d'imagerie dirigée vers l'avant, visuelle ou radar, pour détecter si le véhicule respecte les directives de sécurité. Dans le régulateur de vitesse adaptatif, le radar est utilisé pour maintenir un intervalle minimum à l'avant du véhicule. Dans le freinage d'urgence autonome, le radar permet de détecter si le véhicule s'approche trop vite d'un obstacle, et d'actionner les freins. Dans l'alerte de franchissement involontaire de ligne, une caméra à l'avant permet de détecter les lignes de délimitation des voies devant le véhicule et de déterminer si le véhicule franchit la ligne.

Matrice de pièces automobiles F-RAM

La solution F-RAM de Cypress présente trois avantages clés par rapport aux mémoires EEPROM et Flash à utiliser pour identifier des applications spécifiques :

• La solution F-RAM est instantanément non volatile, ce qui en fait une solution idéale pour les applications ayant des exigences de temps précises, dans lesquelles les données les plus importantes sont souvent exposées à un risque de panne du système, par exemple les enregistreurs de données.
• La F-RAM présente une endurance d'écriture de 10¹⁴ par rapport aux mémoires EEPROM, à 10⁶, et Flash, à 10⁵, ce qui la rend idéale pour les enregistreurs de données en continu, pour lesquels l'écriture de données est constante.
• La F-RAM offre une basse consommation en écriture, et elle est idéale pour les applications avec des sources d'alimentation indépendantes, par exemple des batteries ou des condensateurs.

La F-RAM est également plus résistante à la température externe, ce qui signifie que l'endurance en écriture et la rétention de données sont mieux maintenues lorsque la température de fonctionnement augmente. De nombreuses spécifications d'endurance EEPROM sont à 85°C et sont donc inadaptées pour les applications automobiles exigeant 125°C, où l'endurance EEPROM descend à 105°C.

Le Tableau 1 répertorie les offres de produits F-RAM de Cypress et les paramètres clés correspondants.

Référence	Densité	E/S	Tension	Température	Vitesse E/S	Endurance	Rétention à 85°C
CY15B128J-SXA	128 Ko	I²C	2 V à 3,6 V	–40°C à +85°C	3,4 MHz	1014	100 ans
CY15B256J-SXA	256 Ko	I²C	2 V à 3,6 V	–40°C à +85°C	1 MHz	1014	100 ans
FM24CL64B-GA	64 Ko	I²C	3 V à 3,6 V	-40°C à +125°C	1 MHz	1014	100 ans
CY15B102Q-SXE	2048 Ko	SPI	2 V à 3,6 V	–40°C à +125°C	20 MHz	1014	100 ans
CY15B128Q-SXA	128 Ko	SPI	2 V à 3,6 V	–40°C à +85°C	40 MHz	1014	100 ans
CY15B256Q-SXA	256 Ko	SPI	2 V à 3,6 V	–40°C à +85°C	40 MHz	1014	100 ans
FM25040B-GA	4 Ko	SPI	4,5 V à 5,5 V	–40°C à +125°C	14 MHz	1014	100 ans
FM25640B-GA	64 Ko	SPI	4,5 V à 5,5 V	–40°C à +125°C	4 MHz	1014	100 ans
FM25C160B-GA	16 Ko	SPI	4,5 V à 5,5 V	–40°C à +125°C	15 MHz	1014	100 ans
FM25CL64B-GA	64 Ko	SPI	3 V à 3,6 V	–40°C à +125°C	16 MHz	1014	100 ans
FM25L04B-GA	4 Ko	SPI	3 V à 3,6 V	–40°C à +125°C	10 MHz	1014	100 ans

Tableau 1 : Ligne de produits F-RAM automobiles de Cypress.

Applications clés pour F-RAM

En résumé, la solution F-RAM est une technologie de mémoire non volatile basse consommation, adressable par octet et haute endurance sans délai d'écriture. Les applications idéales pour cette technologie sont les systèmes exigeant une mémoire non volatile et pouvant tirer avantage de l'endurance d'écriture ou de la vitesse d'écriture de la mémoire F-RAM.

Les applications pour lesquelles l'endurance est importante sont les enregistreurs de données basés sur le temps qui doivent pouvoir enregistrer et stocker des données conduisant à un événement et même après celui-ci. Il s'agit par exemple des enregistreurs d'accidents, des régulateurs de vitesse adaptatifs, des enregistreurs d'airbags, du freinage d'urgence autonome, de la gestion des batteries, de la commande moteur, des enregistreurs de données d'événements et de la surveillance de la pression des pneus.

Les applications pour lesquelles la vitesse d'écriture est importante sont celles dans lesquelles les données les plus importantes sont celles où le système tombe en panne. Il s'agit par exemple des enregistreurs d'accidents, de la gestion des batteries, de la surveillance de la pression des pneus, de la navigation et de la commande moteur.