Les véhicules de demain intégreront encore plus de technologies

Auparavant, les systèmes électroniques ne constituaient que 1 % de la valeur totale des véhicules. Aujourd'hui, cependant, la demande du grand public pour plus de technologies et l'augmentation des capacités technologiques disponibles ont entraîné l'explosion du nombre de calculateurs (ECU) nécessaires dans un véhicule. Par exemple, une voiture haut de gamme peut nécessiter jusqu'à 100 calculateurs et 100 millions de lignes de code aujourd'hui, une valeur bien supérieure aux anciens véhicules qui démontre l'importance des calculateurs dans la fabrication d'une voiture.

L'électricité alimente de plus en plus les composants électroniques avancés et ravitaille les véhicules électriques et hybrides, tout en réduisant les émissions de CO₂, tandis que les systèmes électroniques remplacent les composants manuels et motorisés. Cela permet d'affirmer que la conduite du futur sera tout à fait différente du système de transport actuel. Les véhicules hybrides à optimisation des émissions et les véhicules électriques autonomes zéro émission pourront communiquer au sein des systèmes du véhicule et avec les infrastructures urbaines et routières, en plus qu'avec les autres véhicules. Le livre blanc de Texas Instruments (TI), « Driving the Green Revolution in Transportation », étudie en détail les avantages des véhicules hybrides et électriques.

Plusieurs facteurs majeurs suscitent la hausse de la demande du grand public pour les véhicules hybrides et électriques :

• Pressions réglementaires environnementales relatives aux moteurs à combustion interne
• Avancées technologiques en matière de batterie et de groupe motopropulseur
• Attentes du grand public pour des fonctionnalités liées à la facilité d'utilisation et à l'infodivertissement

Il existe toutefois un facteur contraignant. En effet, les limites de capacité des batteries au plomb traditionnelles de 12 V sont repoussées en raison de l'augmentation des exigences de charge de puissance de ces innovations. L'industrie automobile a trouvé une solution pour répondre à cette demande accrue en électrification. Il s'agit du développement d'un système électrique secondaire de 48 V offrant plus de puissance que celle fournie par une batterie traditionnelle de 12 V seule. Ces systèmes haute tension, cependant, nécessitent des isolements extensifs pour la sécurité et le contrôle de l'isolement afin de protéger les conducteurs et leurs passagers contre les chocs électriques, ainsi que pour éviter le claquage de la sécurité du système.

Pour pouvoir résoudre ces défis de conception et permettre des systèmes de transport plus sécurisés et plus efficaces, TI offre de nombreuses solutions et aides à la conception. Voici quelques-unes de ces pièces et conceptions de référence.

TIDA – Conceptions de référence de Texas Instruments

TIDA-03040 – Conception de référence automobile pour la détection de courant de précision de ±500 A basée shunt : cette conception de référence pour capteur de courant basé shunt de TI (Figure 1) offre une précision sur une plage pleine échelle (FSR) < 0,2 % pour une plage de températures de fonctionnement entre -40°C et +125°C. De nombreuses applications automobiles nécessitent une détection de courant de précision, notamment les systèmes de gestion des batteries, les courants de moteur, etc. Un faible niveau de précision dans ces applications critiques peut généralement résulter d'une non-linéarité, d'une dérive de température et des tolérances de shunt. Ces problèmes sont résolus par cette conception à l'aide de moniteurs de shunt d'ampèremètre (INA240) et de conditionneurs de signaux (PGA400-Q1) de TI.

Figure 1 : Schéma fonctionnel de la conception de référence TIDA-03040 de Texas Instruments pour un capteur de courant de précision automobile de ±500 A basé shunt. (Source de l'image : Texas Instruments)

TIDA-03050 - Conception de référence de capteur shunt automobile, plage mA-kA : cette conception de référence utilise une résistance shunt de type barre bus pour détecter des courants dans la plage s'étendant des mA aux kA. La demande toujours croissante provenant des batteries haute capacité des véhicules électriques et hybrides exige de plus grandes plages de courants de fonctionnement et des capteurs de courant haute précision pour surveiller la demande. La mesure précise du courant sur trois décades (mA à A, 1 A à 100 A et 100 A à 1000 A) est assez difficile, étant donné la grande quantité de bruit système. Pour résoudre ce problème, cette conception utilise un convertisseur analogique-numérique (CAN) haute résolution et des moniteurs de shunt d'ampèremètre haute précision de TI.

TIDA-01604 - Conception de référence PFC totem-pole de 6,6 kW avec rendement de 98,6 % pour chargeur embarqué de véhicules hybrides et électriques : cette conception de référence repose sur des MOSFET en carbure de silicium (SiC) commandés par un microcontrôleur C2000 avec des circuits d'attaque de grille isolés SiC (Figure 2). Cette conception implémente un entrelacement à trois phases et fonctionne en mode de conduction continue avec un rendement de 98,46 % à une entrée de 240 V et une pleine puissance de 6,6 kW. Le facteur de puissance à faible charge est amélioré grâce au délestage de phase et au contrôle de temps de récupération adaptatif fournis par le microcontrôleur C2000. La carte du circuit d'attaque de grille (voir la conception TIDA-01605 ci-dessous) peut fournir un courant de source de 4 A et un courant de crête récepteur de 6 A, tout en implémentant un isolement renforcé et en prenant en charge une immunité transitoire en mode commun (CMTI) de plus de 100 V/ns. La carte du circuit d'attaque de grille contient également un circuit d'arrêt à deux niveaux qui protège le MOSFET contre le dépassement de tension en cas de court-circuit.

Figure 2 : Conception de référence TIDA-01604 de Texas Instruments pour un chargeur embarqué de véhicules hybrides/électriques. (Source de l'image : Texas Instruments)

TIDA-01605 - Conception de référence d'un circuit d'attaque de grille automobile MOSFET SiC à deux canaux avec une protection d'arrêt à deux niveaux : cette conception de référence de TI comprend une solution de circuit d'attaque de grille isolée, certifiée automobile, pour commander des MOSFET SiC dans une configuration en demi-pont. Deux alimentations de polarisation push-pull dédiées au circuit d'attaque de grille isolé à deux canaux sont incluses dans cette conception, où chaque alimentation peut fournir des tensions de sortie de +15 V et -4 V, et une puissance de sortie de 1 W. Comme indiqué précédemment, ce circuit d'attaque de grille peut fournir un courant de source de 4 A et un courant de crête récepteur de 6 A. Son isolement renforcé peut prendre en charge une tension de crête de 8 kV et une tension d'isolement efficace de 5,7 kV, avec une valeur CMTI > 100 V/ns. Il a également été indiqué précédemment que cette carte contient un circuit d'arrêt à deux niveaux pour protéger le MOSFET contre un dépassement de tension en cas de court-circuit. Cette conception comprend un seuil et un délai de détection de désaturation (DESAT) configurable pour l'arrêt du second étage. Un isolateur numérique ISO7721-Q1 est utilisé pour l'interfaçage des signaux de panne et de réinitialisation. En général, cette conception de référence s'adapte à une carte à circuit imprimée à deux couches avec un format compact de 40 mm x 40 mm.

TIDA-01168 - Conception de référence d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel pour systèmes automobiles de 12 V/48 V : cette conception de référence agit comme une plateforme de développement de convertisseur CC/CC bidirectionnel à 4 phases pour les systèmes automobiles de 12 V/48 V. Le système utilise un microcontrôleur TMS320F28027F et deux contrôleurs de courant LM5170-Q1 pour le contrôle de l'étage de puissance. Le microcontrôleur C2000 fournit une contre-réaction de tension, tandis que les sous-systèmes LM4170-Q1 utilisent la contre-réaction de tension moyenne pour le contrôle du courant. L'utilisation de ce schéma de contrôle permet d'éliminer le partage du courant de phase typique des convertisseurs multiphases. Les systèmes basés sur le LM5170-Q1 permettent un haut niveau d'intégration, ce qui réduit l'espace sur le circuit imprimé, simplifie la conception et accélère le développement.

Produits

ISO7731-Q1 : la gamme de dispositifs ISO773x-Q1 présente des isolateurs numériques à trois canaux hautes performances avec des caractéristiques d'isolement de 5000 VRMS (boîtier DW) et 3000 VRMS (boîtier DBQ) selon la norme UL1577. Cette gamme dispose de certifications d'isolement renforcé conformément à CQC, CSA, TUV et VDE. Ces dispositifs offrent une haute immunité électromagnétique avec de faibles émissions à basse consommation, tout en isolant les E/S numériques CMOS ou LVCMOS. Les tampons d'entrée et de sortie logiques sont séparés par une barrière galvanique en dioxyde de silicium (SiO₂) dans chaque canal d'isolement. Les broches d'activation du dispositif peuvent servir pour mettre les sorties respectives dans une haute impédance pour les applications de commande multi-maître et pour réduire la consommation énergétique. Les trois canaux du dispositif ISO7730-Q1 sont tous dans la même direction, tandis que le dispositif ISO7731-Q1 dispose de deux canaux directs et d'un canal inverse. En cas de perte de la puissance ou du signal d'entrée, la sortie par défaut est à l'état bas pour les dispositifs avec le suffixe « F » et à l'état haut pour les dispositifs sans suffixe « F ».

UCC21520-Q1 : ce dispositif est un circuit d'attaque de grille isolé à deux canaux (Figure 3). Il présente un courant de source de 4 A et un courant de crête récepteur de 6 A. Il est conçu pour commander des MOSFET de puissance, des MOSFET SiC et des IGBT jusqu'à 5 MHz avec de faibles valeurs de temps de propagation et de distorsion de largeur d'impulsion. Le côté entrée et les deux circuits d'attaque en sortie sont isolés par une barrière galvanique renforcée de 5,7 kVRMS, avec une valeur CMTI minimum de 100 V/ns. Une tension de fonctionnement jusqu'à 1500 VCC est possible grâce à l'isolement fonctionnel interne entre les deux circuits d'attaque côté secondaire. La conception de ce dispositif permet de configurer chaque circuit d'attaque en deux circuits d'attaque bas potentiel, en deux circuits d'attaque haut potentiel ou en un circuit d'attaque en demi-pont avec un temps de récupération (DT) programmable. Une broche de désactivation désactive les deux sorties simultanément pour permettre un fonctionnement normal à l'état ouvert ou à la terre. Les échecs de logique côté primaire forcent les deux sorties à l'état bas comme une mesure de sécurité.

Figure 3 : Schéma fonctionnel du circuit d'attaque de grille isolé à deux canaux UCC21520-Q1 de Texas Instruments. (Source de l'image : Texas Instruments)

UCC21222-Q1 : ce circuit d'attaque de grille isolé à deux canaux à temps de récupération programmable et à large plage de températures démontre une robustesse et des performances constantes dans des conditions de température extrêmes. Ses courants de crête source de 4 A et de crête récepteur de 6 A sont conçus pour commander des transistors GaN, MOSFET et IGBT. L'UCC21222-Q1 présente plusieurs configurations : deux circuits d'attaque bas potentiel, deux circuits d'attaque haut potentiel ou un circuit d'attaque en demi-pont. Les performances de correspondance de délai de 5 ns permettent de mettre en parallèle deux sorties, ce qui double la force du circuit d'attaque pour les conditions de charge élevée, sans risque de courant « shoot-through » interne. Les deux circuits d'attaque en sortie sont isolés du côté entrée par une barrière galvanique de 3,0 kVRMS avec une valeur CMTI minimale de 100 V/ns.

LM5170-Q1 : les éléments de précision et la haute tension essentiels d'un convertisseur bidirectionnel à deux canaux pour les systèmes à batterie double de 48 V et 12 V sont offerts par le contrôleur LM5170-Q1. Pour y parvenir, il régule le courant moyen circulant entre les ports haute tension et basse tension dans le sens signalé par le signal d'entrée DIR. Le niveau de régulation du courant est programmé par le biais des entrées PWM analogiques ou numériques. La précision de courant typique de 1 % est obtenue grâce aux amplificateurs de détection de courant différentiels à deux canaux et aux moniteurs de courant de canal dédiés. Les circuits d'attaque de grille en demi-pont de 5 A sont capables de commander des commutateurs MOSFET en parallèle pouvant fournir 500 W ou plus par canal. De plus, le mode d'émulation de diode des redresseurs synchrones prévient les courants négatifs, mais permet également un fonctionnement en mode discontinu pour un rendement amélioré à faibles charges. De nombreuses fonctionnalités de protection sont intégrées dans le dispositif, notamment une détection de panne MOSFET, une protection contre la surtension sur les ports haute tension et basse tension, une limitation de courant cycle par cycle et une protection contre la surchauffe.

INA301-Q1 : ce dispositif inclut un amplificateur de détection du courant de mode commun élevé et un comparateur haute vitesse configuré pour fournir une protection contre la surintensité. Pour y parvenir, il mesure la tension sur une résistance shunt ou de détection de courant, puis la compare à la limite de seuil définie. L'INA301-Q1 présente une plage de seuils de limite ajustable qui peut être définie en utilisant une seule résistance de définition de limite externe. Ce moniteur de shunt d'ampèremètre mesure les signaux de tension différentiels avec des tensions de mode commun pouvant varier entre 0 V et 36 V, indépendamment de la tension d'alimentation. La sortie d'alerte à drain ouvert peut être configurée pour fonctionner en mode transparent, où l'état de sortie est conforme à l'état d'entrée, ou en mode verrouillé, où la sortie d'alerte est désactivée lorsque le système de verrouillage est réinitialisé. Le temps de réponse d'alerte de moins de 1 µs du dispositif permet une détection rapide des événements de surintensité.

INA240-Q1 : le dispositif qualifié automobile INA240-Q1 est un amplificateur de détection du courant à sortie en tension avec réjection PWM améliorée. Il peut détecter les chutes sur des résistances shunt sur une vaste plage de tensions de mode commun de -4 V à 80 V, indépendamment de la tension d'alimentation. La tension de mode commun négative offre l'avantage de permettre au dispositif de fonctionner sous la masse, pour pouvoir accepter la période de retour des applications de solénoïdes standard. La réjection PWM améliorée du dispositif offre des niveaux élevés de suppression des transitoires de mode commun importants (ΔV/Δt) dans les systèmes qui utilisent des signaux PWM, notamment les commandes moteur et les systèmes de contrôle à solénoïde. Cette fonctionnalité garantit des mesures de courant précises sans transitoires élevés et sans ondulation de récupération associée sur la tension de sortie. L'INA240-Q1 fonctionne avec une alimentation simple de 2,7 V à 5,5 V et consomme un courant maximum de 2,4 mA. Il présente actuellement quatre gains fixes disponibles : 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V et 200 V/V. L'architecture à faible décalage et à dérive nulle du dispositif permet une détection de courant avec des chutes maximales sur le shunt de seulement 10 mV pleine échelle. Les versions de grade 1 sont offertes dans des boîtiers SOIC et TSSOP à 8 broches et fonctionnent sur une plage de températures étendue de -40°C à +125°C. Les versions de grade 0 sont uniquement offertes dans un boîtier SOIC à 8 broches et fonctionnent sur une plage de températures étendue de -40°C à +150°C.

AMC1305M05-Q1 : il s'agit d'un modulateur Delta-Sigma (ΔΣ) de précision avec une barrière galvanique capacitive double hautement résistante aux interférences magnétiques qui sépare la sortie du circuit d'entrée (Figure 4). La barrière galvanique est certifiée pour fournir un isolement renforcé jusqu'à 7000 VPEAK selon les normes DIN V VDE V 0084-10, UL1577 et CSA. Associé à des alimentations isolées, l'AMC1305M05-Q1 empêche les courants de bruit pouvant être présents sur une ligne haute tension de mode commun d'entrer dans la masse du système local et d'interférer avec les circuits basse tension ou de les endommager. Ce dispositif est optimisé pour une connexion directe aux résistances shunt ou autres sources de signaux de niveau basse tension et prend en charge d'excellentes performances CA et CC. Typiquement, les résistances shunt détectent les courants dans les chargeurs embarqués, les onduleurs de traction ou autres applications automobiles similaires. En utilisant un filtre numérique approprié pour décimer le flux de bits, à l'exemple du modèle intégré sur le TMS320F2837, le dispositif peut atteindre une résolution de 16 bits avec une plage dynamique de 85 dB (13,8 ENOB) à un débit de données de 78 Kéch./s.

Figure 4 : Schéma simplifié du modulateur Delta-Sigma (ΔΣ) de précision AMC1305M05-Q1 de Texas Instruments. (Source de l'image : Texas Instruments)

TMS320F28069M : la gamme de microcontrôleurs F2806x Piccolo à qualification automobile inclut la puissance d'un cœur C28x et d'un accélérateur CLA combinée à des périphériques de contrôle hautement intégrés dans des dispositifs à faible brochage. Ces dispositifs sont compatibles au niveau du code avec le code basé C28x précédent et fournit un haut niveau d'intégration analogique. Parmi les autres fonctionnalités figurent un régulateur de tension interne qui permet un fonctionnement à rail unique et des améliorations sur le module HRPWM pour permettre le contrôle double front (modulation de fréquence). De plus, des comparateurs analogiques dont les références internes de 10 bits peuvent être routées directement pour contrôler les sorties ePWM ont été ajoutés. Le CAN, qui est doté d'une interface optimisée pour de faibles valeurs de surcharge et de latence, convertit le courant de 0 à la plage pleine échelle fixe 3,3 V et prend en charge des références VREFHI/VREFLO ratiométriques.

ISO1042-Q1 : il s'agit d'un dispositif émetteur-récepteur CAN (Controller Area Network) à isolement galvanique, répondant aux spécifications de la norme ISO11898-2 (2016). L'ISO1042-Q1 offre une protection de défaillance de bus de ±70 VCC et une plage de tensions de mode commun de ±30 V. Il prend en charge un débit de données jusqu'à 5 Mbps en mode CAN FD qui permet un transfert de charge utile plus rapide par rapport à CAN classique. Ce dispositif intègre une barrière galvanique en dioxyde de silicium (SiO2), qui est dotée d'une tension de tenue de 5000 VRMS et d'une tension de fonctionnement de 1060 VRMS. La compatibilité électromagnétique de l'ISO1042-Q1 a été considérablement améliorée pour simplifier la conformité en matière d'émissions, de surtension, de transitoires électriques rapides (EFT) et de décharges électrostatiques (DES) niveau système. Associé à des alimentations isolées, ce dispositif peut contribuer à la protection contre les hautes tensions et les courants de bruit d'un bus entrant dans la masse locale. L'ISO1042-Q1 est disponible pour les applications à isolement basique et renforcé et prend en charge une plage de températures ambiantes étendue de -40°C à +125°C. Il est disponible en deux formats de boîtier, SOIC-16 (DW) et SOIC-8 (DWV) plus compact.

Conclusion

Le futur de l'industrie automobile s'annonce brillant. Cependant, les conceptions seront plus complexes car les véhicules seront dotés de plus nombreuses fonctionnalités, requises par les réglementations environnementales et plébiscitées par les consommateurs. Pour faciliter la prise en charge de ces fonctionnalités, Texas Instruments propose une gamme diversifiée de conceptions de référence et de produits permettant de réduire les délais de conception et de livrer ces futures conceptions automobiles au consommateur plus rapidement.