F-RAM™ per i mercati automotive

Introduzione

Ogni anno, le automobili fanno sempre più affidamento sull'elettronica. Sistemi che una volta erano meccanici sono ora unità di controllo elettronico (ECU). I nuovi sistemi per l'intrattenimento e la sicurezza automobilistica stanno introducendo una crescente complessità e una maggiore necessità di risorse.

Panoramica dei sottosistemi elettronici per il settore automotive

L'elettronica di un'automobile è composta da sottosistemi diversi ma interconnessi. Ogni sottosistema è dedicato a una specifica attività che può variare sia per ambito che per complessità: da una semplice interfaccia per il controllo della radio a un complesso sistema di prevenzione degli incidenti. Tuttavia, tutti i sottosistemi condividono la stessa struttura di base, ad esempio un MCU, ovvero un microcontroller, un'interfaccia bus di sistema sotto forma di CAN, OBD2 e, più di recente anche Ethernet, sensori di ingresso e logica di controllo delle uscite. Inoltre, molti sottosistemi richiedono di poter memorizzare i dati in modo istantaneo e continuo, il che comporta requisiti progettuali di prestazioni e realizzazione robusta. È proprio qui che entrano in campo le RAM ferroelettriche (FeRAM) di Cypress.

Figura 1: In una vettura, i sottosistemi elettronici sono ovunque.

Grazie alle FeRAM, i sistemi sono in grado di memorizzare dati in modo continuato alla massima velocità consentita dal bus, senza necessità di memoria supplementare e senza capacità extra per gestire i cicli di scrittura della memoria. Ciò è possibile perché le FeRAM sono memorie istantanee non volatili, che non richiedono ulteriori tempi di risposta per immagazzinare informazioni e vantano 10 alla 14esima cicli di scrittura, mentre la maggior parte delle EEPROM e delle FLASHsi ferma a meno di 1 milione di cicli.

Dato che molti sistemi hanno bisogno di memorizzare dati, questo articolo vuole soffermarsi su quelli che maggiormente possono trarre beneficio dall'implementazione di FeRAM. Ad esempio, una semplice ECU per la radio ha necessità di memorizzare i dati preimpostati e lo stato corrente. Le impostazioni dell'utente non sono in genere così frequenti, infatti una volta configurate, vengono in genere considerate più o meno come una ROM. D'altro canto, lo stato corrente cambia spesso, ma il ripristino non è cruciale. Ecco perché non vale la pena aggiungere memoria non volatile a un semplice impianto radio. Ciò detto, un moderno sistema di intrattenimento e navigazione potrebbe trarre vantaggio dalle caratteristiche delle FeRAM.

Questo articolo prende in esame cinque sottosistemi di un'auto (gestione batteria (BMS, Battery Management System), monitoraggio pressione pneumatici, ABS, apertura airbag e registratore dati degli eventi); per ognuno identifica la funzionalità chiave che gli consente di trarre vantaggio dall'adozione delle memorie FeRAM di Cypress.

Gestione della batteria

La gestione della batteria è affidata a un sistema elettronico di controllo (BMS) che monitora e controlla gli impianti della batteria, sia su vetture elettriche che ibride. Le funzioni cruciali dell'unità sono: proteggere da qualsiasi danno ogni cella delle batterie, prolungare la vita delle celle, garantire la distribuzione dell'energia in tempo reale a tutto il veicolo.

Il BMS monitora i parametri funzionali di ogni singola cella della, o delle batterie. I parametri includono tensione e corrente della cella (sia in carica che in scarica), oltre alla sua temperatura. Le moderne batterie agli ioni di litio (Li-Ion) hanno una densità energetica (quantità di energia immagazzinata per unità di volume) estremamente alta e alte correnti di scarica (bassa resistenza interna), ma richiedono un controllo molto accurato. Una delle principali cause di guasto delle batterie Li-Ion è la sottoscarica o la sovracarica. Qui trova tutta la sua importanza un BMS in qualsiasi sistema che si avvalga di batterie Li-Ion.

Nei moderni veicoli elettrici o ibridi, il BMS si interfaccia con altri sottosistemi di bordo, come il sistema di gestione del motore per il controllo dell'erogazione della potenza, il sottosistema di frenatura per la frenata rigenerativa, i sottosistemi di sicurezza per l'interruzione dell'alimentazione e quelli dell'abitacolo, ad esempio per le comunicazioni e l'infotainment.

La Figura 2 mostra uno schema del BMS e delle connessioni con i sottosistemi. Il sistema di base include un equalizzatore che si occupa di mantenere lo stesso livello di carica in tutte le celle e una ECU per il monitoraggio delle celle stesse. La ECU raccoglie i dati sulla temperatura e quelli sulla tensione per ogni cella assieme alla domanda di elettricità di altri sottosistemi; si occupa anche di comandare l'equalizzatore per mantenere bilanciata la carica delle celle. Le celle più "deboli" verranno ricaricate più spesso, mentre quelle più "robuste" saranno quelle più utilizzate per soddisfare la domanda energetica. Grazie a questi accorgimenti è possibile prolungare la vita della batteria.

Figura 2: Sistema di gestione della batteria.

La ECU richiede la capacità di essere programmata in funzione della tecnologia delle batterie, di solito agli ioni di litio o le cosiddette ibride (NiMH, al nichel-idruro di metallo). Il sistema deve anche essere in grado di monitorare le prestazioni delle celle, sia a breve termine (gli ultimi cicli di carica) che a lungo termine (ciclo di vita). Si tratta di funzioni critiche per massimizzare la durata totale della batteria. Il monitoraggio a breve termine, che richiede rilevazioni anche di 60 volte al secondo, può fare affidamento sulla capacità di cicli di scrittura delle FeRAM di Cypress che implementano una tecnologia ideale per questa applicazione.

Monitoraggio della pressione degli pneumatici

Il monitoraggio della pressione degli pneumatici (TPMS, Tire Pressure Monitoring System) tiene sotto controllo la pressione interna di tutti gli pneumatici e segnala se uno di essi accusa una pressione insufficiente. Dal 2012, questo sottosistema è diventato obbligatorio per tutte le nuove vetture, sia in Europa che negli Stati Uniti. Il sistema è composto da due moduli chiave: un sensore di pressione wireless e un ricevitore/registratore dati anch'esso wireless. I requisiti fondamentali per il sensore di pressione sono due: essere in grado di autoalimentarsi e resistere alle sollecitazioni esterne imposte loro dalla posizione nelle ruote. I requisiti di bassa potenza delle FeRAM di Cypress le rendono ideali come storage di dati nel modulo sensore.

Il ricevitore/registratore dati wireless deve essere in grado di memorizzare i dati da tutti i sensori e fornire eventuali allarmi agli utenti quando il punto di attivazione viene raggiunto. Grazie all'alto numero di cicli di scrittura offerto dalle FeRAM di Cypress, si rende possibile un rilevamento più sofisticato di eventuali perdite.

Figura 3: Monitoraggio della pressione degli pneumatici.

Potendo immagazzinare uno storico della pressione più lungo, il TPMS è in grado non solo di attivarsi in caso di pressione bassa, ma anche di avvisare l'utente della presenza di una leggera perdita che si protrae, magari giorno dopo giorno. Lo storico della pressione degli pneumatici è molto importante anche per l'analisi di eventuali guasti delle apparecchiature e in caso di incidenti. La Figura 3 mostra il disegno del sistema base del TPMS.

ABS, sistema antibloccaggio

Il sistema antibloccaggio delle ruote (ABS, Antilock Braking System) impedisce che durante le frenate le ruote si blocchino completamente. Si tratta di un componente vitale del sistema di sicurezza dei veicoli, infatti aiuta a frenare con più efficacia e a guidare (o sterzare) con maggiore sicurezza su fondo bagnato o ghiacciato. Il sistema lavora modulando la pressione di frenata su ciascuna ruota in modo indipendente. Al tradizionale impianto dei freni, viene aggiunto un modulatore idraulico e una ECU che lo comanda. Il sistema in se stesso, per funzionare, non richiede una grande quantità di memoria non volatile ma, come per il sottosistema TPMS, richiede di mantenere una registrazione sequenziale degli eventi che potrà essere una fonte preziosa di informazioni per determinare le possibili cause di un incidente.

Il buffer a ciclo continuo (rolling buffer) utilizzato per registrare gli ultimi pochi secondi o minuti degli eventi del sistema richiede una memoria non volatile a scrittura veloce e riscrivibile innumerevoli volte. La FeRAM di Cypress risponde a tutti e tre i requisiti. Grazie alla sua alta velocità di scrittura (a ritardo zero), non sussiste il rischio di perdere le parti più importanti dello storico. Inoltre, grazie alla sua capacità di 10 alla 14esima cicli di scrittura, sarà in grado di affrontare i requisiti di ciclo del sistema. La Figura 4 mostra lo schema di un ABS base.

Figura 4: ABS, sistema antibloccaggio.

Apertura degli airbag

Il sottosistema di apertura degli airbag è il sistema principale in una classe di sottosistemi detta SRS (Supplemental Restraint System - dispositivo supplementare per la sicurezza passiva). L'SRS viene utilizzato in abbinamento ai tradizionali sistemi di sicurezza passivi come le cinture di sicurezza. È costituito da due componenti chiave: una camera d'aria (pallone) gonfiabile e un accelerometro/rilevatore di urto. Per ottenere le prestazioni necessarie per il gonfiaggio della camera d'aria in caso di incidente, è utilizzata una bomboletta di gas compresso. Tale sistema rende l'airbag monouso e distruttivo per altre parti del veicolo. Di conseguenza, la sua apertura è un evento costoso.

Figura 5: Apertura dell'airbag.

A seguito della domanda di sicurezza e a causa del costo della sostituzione, i produttori hanno aggiunto numerosi sensori per monitorare e registrare quante persone sono sedute sui sedili. Questo sistema include un sensore di pressione per il posto del passeggero che si incarica di attivare il sottosistema dell'airbag, assieme a una serie di sensori di posizione per migliorare l'efficacia di tutto il sistema di airbag. I dati sulla posizione vengono costantemente aggiornati e devono essere memorizzati fino al momento, e anche oltre, dell'apertura. La necessità di registrare costantemente i dati sulla posizione in una memoria non volatile rende la FeRAM di Cypress ideale per questo compito, grazie alle elevate prestazioni, ai bassi consumi e al grande numero di cicli di scrittura.

Registratore di dati di evento

Un registratore di dati di evento (RDE o EDR, Event Data Recorder) è un sottosistema che monitora e registra informazioni relative al funzionamento di un veicolo prima e dopo una collisione. Questo sistema (a volte chiamato "scatola nera") è un dispositivo autonomo che raccoglie e monitora i dati dagli altri sottosistemi in un registro sequenziale degli eventi.

Il sottosistema RDE è composto da due blocchi principali: un'interfaccia di rete e una memoria non volatile. Dal 2014, la maggior parte dei veicoli negli Stati Uniti sono obbligati ad avere in dotazione un RDE. Con la necessità di memorizzare i dati da così tanti sottosistemi a bordo, diventano cruciali le caratteristiche prestazionali di scrittura della memoria non volatile e il suo indirizzamento diretto.

La maggior parte delle EEPROM e delle memorie flash hanno un ritardo di scrittura di 5 millisecondi durante i quali restano inaccessibili; inoltre una caduta dell'alimentazione può causare la perdita dei dati. La FeRAM di Cypress vanta ritardo di scrittura zero, più precisamente questo dispositivo è pronto prima del successivo clock sul bus sull'interfaccia. Mentre molte altre memorie non volatili richiedono anche un ciclo read-modify-write a livello di pagina per memorizzare un singolo byte di dati, le FeRAM di Cypress sono direttamente indirizzabili al byte, il che consente di lasciare i dati immutati una volta scritti.

Navigazione e infotainment

I sistemi di navigazione consentono a un conducente di individuare una destinazione e ricevere indicazioni sul percorso da seguire. La maggior parte di questi sistemi si avvale dei segnali del sistema di posizionamento globale (GPS) e di mappe elettroniche su cui sono indicate le strade per raggiungere la destinazione.

I sistemi di navigazione devono essere in grado di attivarsi utilizzando i dati derivanti dall'ultima accensione per individuare la posizione del veicolo quando i segnali GPS sono temporaneamente indisponibili a causa ad esempio di edifici o altri ostacoli. In tale situazione, per calcolare la propria posizione, il sistema si affida a un punto di partenza del veicolo conosciuto assieme ai dati di altri sensori, ad esempio della velocità e della direzione.

Figura 6: Navigazione.

Il sistema di navigazione è spesso integrato nell'impianto di intrattenimento della vettura in modo da poter sfruttare gli impianti audio e video esistenti. Questo sistema combinato oggi ha assunto il nome internazionalmente riconosciuto di "sistema di infotainment". Il vantaggio di tale integrazione è l'immediatezza e la relativa facilità d'uso. Entrambi i sistemi richiedono una notevole interazione del conducente, in particolare nel reparto audio. Grazie all'abbinamento dei sistemi, quello di navigazione può facilmente accedere e interrompere il sistema audio per fornire informazioni importanti al conducente.

Figura 7: Infotainment.

Modulo di controllo del motore

Il modulo di controllo del motore (ECM, Engine Control Module) è il sottosistema più potente e costoso a bordo dei moderni veicoli. In linea di massima, questo dispositivo controlla tutti gli aspetti della generazione e distribuzione della potenza su un veicolo. L'ECM è normalmente composto da un microcontroller a 32 bit con una velocità attorno ai 100 MHz; la memoria di sistema è di diversi megabyte, inoltre sono presenti numerose interfacce di rete per accedere ai sottosistemi e decine di sistemi di controllo di ingressi e uscite. Preleva i segnali generati da vari controlli comandati dall'utente e li immette, assieme allo stato corrente del motore, in un modello di controllo motore che comanda i componenti del motore stesso.

Prima degli ECM elettronici, i progettisti dovevano lavorare sui motori per bilanciarne il funzionamento nell'ambito dell'intero progetto. Con l'introduzione dei moderni moduli di controllo, il comportamento del motore si adatta in tempo reale e consente all'utente di impostare vari profili prestazionali. Grazie alla loro capacità di adattamento dinamico, i motori offrono enormi migliorie in termini di prestazioni ed efficienza.

Figura 8: Modulo di controllo del motore.

I vantaggi offerti dalle FeRAM di Cypress risiedono nel modo in cui il sistema registra il suo stato corrente. Dato che alcuni componenti si usurano, la memorizzazione dello stato corrente in una memoria non volatile consente al sistema di operare in modo efficiente fin dall'accensione. Siccome il sistema non può sapere quando verrà interrotta la sua alimentazione, deve continuare a memorizzare lo stato senza soluzione di continuità, il che richiede l'alta capacità di cicli di scrittura delle FeRAM.

Sistemi di assistenza attiva alla guida

Un sistema avanzato di assistenza attiva alla guida (ADAS, Advanced Driver Assistance System) è un insieme di sistemi di sicurezza che si adoperano affinché il conducente di un veicolo non incorra in un incidente. Tali sistemi includono un sistema di frenata automatica di emergenza (AEB, Autonomous Emergency Braking), il rilevamento delle linee di corsia (LDW, Lane Departure Warning) e il controllo di marcia adattivo rispetto ai veicoli circostanti (ACC, Adaptive Cruise Control). Tutto ciò richiede la registrazione e la memorizzazione di dati in tempo reale.

Tutti e tre i sistemi si avvalgono del riconoscimento per immagini predittivo, o visivo o tramite radar, per rilevare se il veicolo è in posizione sicura. Nell'ACC, il radar è utilizzato per garantire la distanza minima di sicurezza dal veicolo che precede. Nell'AEB, il radar verifica se il veicolo si sta avvicinando a un ostacolo troppo velocemente e comanda l'applicazione dei freni in autonomia. Nel sistema LDW, una telecamera anteriore viene impiegata per rilevare le strisce di demarcazione delle corsie e stabilire se il veicolo sta uscendo dalla sua corsia.

FeRAM nel settore automotive: caratteristiche salienti

Le FeRAM di Cypress vantano tre vantaggi principali rispetto alle EEPROM e alle memorie flash che possono essere valutati per identificare specifiche applicazioni:

• La FeRAM è istantaneamente non volatile, quindi perfetta per applicazioni con precisi requisiti di temporizzazione, dove i dati più importanti sono proprio quelli spesso a rischio di guasti di sistema, come i registratori di dati.
• La FeRAM ha un'altissima capacità di cicli di scrittura, 10 alla 14esima, rispetto a 10 alla sesta delle EEPROM e a 10 alla quinta delle memorie flash, il che la rende perfetta per i registratori di dati sequenziali in cui le informazioni vengono scritte in continuazione.
• La FeRAM ha requisiti di potenza minimi per la scrittura e dunque è adatta in applicazioni che hanno fonti di alimentazione indipendenti, ad esempio, batterie o condensatori.

La FeRAM è anche più resiliente con le temperature esterne, ovvero il numero di cicli di scrittura e il tempo di ritenzione dati si mantengono a valori ottimali anche se la temperatura di funzionamento aumenta. Per molte EEPROM, le specifiche per i cicli di scrittura possibili sono garantite a 85 °C, il che le rende inidonee per applicazioni automobilistiche che richiedono invece 125 °C, mentre il numero di cicli di scrittura delle EEPROM cala drasticamente a partire da 105 °C.

La Tabella 1 elenca l'offerta di FeRAM di Cypress con i rispettivi parametri chiave.

Codice componente	Densità	I/O	Tensione	Temperatura	Velocità di I/O	Cicli di scrittura	Tempo di ritenzione dati a 85 °C
CY15B128J-SXA	128 kB	I²C	2 V-3,6 V	-40 °C ... 85 °C	3,4 MHz	1014	100 anni
CY15B256J-SXA	256 kB	I²C	2 V-3,6 V	-40 °C ... 85 °C	1 MHz	1014	100 anni
FM24CL64B-GA	64 kB	I²C	3 V-3,6 V	-40 °C ... 125 °C	1 MHz	1014	100 anni
CY15B102Q-SXE	2048 kB	SPI	2 V-3,6 V	-40 °C ... 125 °C	20 MHz	1014	100 anni
CY15B128Q-SXA	128 kB	SPI	2 V-3,6 V	-40 °C ... 85 °C	40 MHz	1014	100 anni
CY15B256Q-SXA	256 kB	SPI	2 V-3,6 V	-40 °C ... 85 °C	40 MHz	1014	100 anni
FM25040B-GA	4 kB	SPI	4,5 V-5,5 V	-40 °C ... 125 °C	14 MHz	1014	100 anni
FM25640B-GA	64 kB	SPI	4,5 V-5,5 V	-40 °C ... 125 °C	4 MHz	1014	100 anni
FM25C160B-GA	16 kB	SPI	4,5 V-5,5 V	-40 °C ... 125 °C	15 MHz	1014	100 anni
FM25CL64B-GA	64 kB	SPI	3 V-3,6 V	-40 °C ... 125 °C	16 MHz	1014	100 anni
FM25L04B-GA	4 kB	SPI	3 V-3,6 V	-40 °C ... 125 °C	10 MHz	1014	100 anni

Tabella 1: Linea di prodotti FeRAM di Cypress per il settore automotive.

Applicazioni principali per le FeRAM

Per riepilogare, la FeRAM è una memoria non volatile ad alto numero di cicli di scrittura, indirizzabile al byte, a basso consumo e senza ritardo di scrittura. Candidati ideali per questa tecnologia sono i sistemi che richiedono una memoria non volatile che abbia le caratteristiche della FeRAM: alto numero di cicli di scrittura e alta velocità di scrittura.

Le applicazioni in cui è importante il numero di cicli di scrittura sono i registratori di dati basati sul tempo che devono essere in grado di registrare e immagazzinare dati fino al momento di un evento e anche oltre. Esempi applicativi: registrazione di incidenti, cruise control adattivo, sistemi di controllo e registrazione degli airbag, frenata di emergenza autonoma, registratori di dati di eventi, scatole nere e monitoraggio della pressione degli pneumatici.

Le applicazioni in cui è importante la velocità di scrittura sono quelle in cui i dati più importanti sono quelli raccolti dove si verifica il guasto di un sistema. Alcuni esempi: registratori di incidenti, gestione delle batterie, monitoraggio della pressione degli pneumatici, navigazione, controllo del motore.