I veicoli del futuro saranno ancora più tecnologici

In passato il contributo dell'elettronica al valore complessivo dei veicoli si aggirava solo attorno all'1%. Oggi, invece, la maggiore tecnologia sollecitata dai consumatori e la disponibilità di capacità tecnologiche più estese hanno portato all'aumento vertiginoso del numero di unità di controllo elettronico (ECU) richieste in un veicolo. Un'auto di fascia alta, ad esempio, potrebbe aver bisogno anche di 100 ECU e di 100 milioni di righe di codice. Questi numeri, molto superiori a quelli di un tempo, sono una prova evidente dell'importanza delle ECU per la costruzione di un'auto.

L'elettricità alimenta sempre più l'elettronica avanzata e i veicoli ibridi (HEV) ed elettrici (EV), riducendo le emissioni di CO₂, mentre i componenti manuali e motorizzati vengono sostituiti da sistemi elettronici. In futuro, guidare un veicolo sarà quindi molto diverso da come facciamo oggi. Gli HEV a emissioni ottimizzate e gli EV a emissioni zero e guida semiautonoma comunicheranno all'interno dei sistemi del veicolo e con l'infrastruttura stradale e cittadina, oltre che con altri veicoli. Il white paper "Guidare la rivoluzione verde nei trasporti" (in inglese) di Texas Instruments (TI) esamina più approfonditamente i vantaggi di HEV ed EV.

La forte crescita della domanda di HEV ed EV è dovuta a diversi fattori importanti:

• Pressioni delle normative ambientali sui motori a combustione interna
• Progressi tecnologici dei gruppi propulsori e delle batterie
• Aspettative dei consumatori in termini di comodità e infotainment

Ma la capacità della tradizionale batteria al piombo-acido a 12 V è insufficiente per i crescenti requisiti di potenza e carico di queste innovazioni. Per rispondere all'aumento della domanda di elettrificazione, l'industria automotive ha trovato una soluzione. Ha sviluppato un impianto elettrico secondario a 48 V che fornisce più energia di quella che può produrre una batteria tradizionale da 12 V. Questi sistemi a tensione relativamente elevata richiedono tuttavia estesi isolamenti per mantenere conducenti e passeggeri al riparo da scosse elettriche ed evitare avarie che inficiano la sicurezza dei sistemi.

Per superare queste sfide progettuali e consentire un sistema di trasporto più sicuro ed efficiente, TI offre molte soluzioni e ausili alla progettazione. Di seguito è riproposta una selezione di alcuni componenti e progetti di riferimento.

TIDA - Progetti di riferimento di Texas Instruments

TIDA-03040 - Progetto di riferimento per il rilevamento di precisione della corrente di ±500 A basato su shunt per il settore automotive: questo progetto di TI per un sensore di corrente basato su shunt (Figura 1) offre una precisione FSR <0,2% nell'intervallo della temperatura di funzionamento tra -40 °C e +125 °C. Diverse applicazioni automotive, fra cui i sistemi di gestione della batteria e delle correnti del motore, richiedono il rilevamento preciso della corrente. Se la precisione è scadente, la causa in genere è da ricercarsi nella non linearità, nella deriva di temperatura e nelle tolleranze dello shunt. Questo progetto, che utilizza i monitor a shunt di corrente (INA240) e i condizionatori dei segnali (PGA400-Q1) di TI risolve questi problemi.

Figura 1: Diagramma a blocchi del progetto di riferimento TIDA-03040 di Texas Instruments per un sensore di corrente di precisione di ±500 A basato su shunt per il settore automotive. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TIDA-03050 - Progetto di riferimento per un sensore di shunt della corrente, nell'intervallo da mA a kA, per il settore automotive: in questo progetto viene utilizzato un resistore di shunt di tipo a barra di distribuzione per rilevare le correnti nell'intervallo da mA a kA. EV ed HEV chiedono prestazioni sempre più alte alle loro batterie ad alta capacità, per cui servono intervalli della corrente di funzionamento più ampi e sensori estremamente accurati per rilevare la domanda di corrente. Dato l'elevato rumore di sistema, misurare accuratamente la corrente su tre decadi (da mA ad A, da 1 A a 100 A e da 100 A a 1000 A) è una grande sfida. Per risolvere il problema, questo progetto utilizza un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta risoluzione e monitor a shunt di corrente ad alta precisione di TI.

TIDA-01604 - Progetto di riferimento con PFC totem pole di 6,6 kW con efficienza del 98,6% per caricabatteria integrato di HEV/EV. Alla base di questo progetto vi sono MOSFET al carburo di silicio (SiC) pilotati da un MCU C2000 con gate driver isolati SiC (Figura 2). Nel progetto è implementato un interleaving trifase che opera in modalità di conduzione continua (CCM) con un'efficienza del 98,46% con 240 V in ingresso e 6,6 kW di potenza a regime. Il fattore di potenza a basso carico viene migliorato dalla distribuzione di fase e dal controllo adattivo dei tempi morti abilitato dall'MCU C2000. La scheda gate driver (vedere TIDA-01605 illustrato più avanti) è in grado di erogare una corrente di source di 4 A e una corrente di picco drain di 6 A. È dotata di isolamento rinforzato e ha un'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) di oltre 100 V/ns. La scheda contiene anche un circuito di spegnimento a due livelli che protegge il MOSFET dalla sovraelongazione di tensione in caso di cortocircuito.

Figura 2: Progetto di riferimento TIDA-01604 di Texas Instruments per un caricabatterie integrato per HEV/EV. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TIDA-01605 - Progetto di riferimento di gate driver per MOSFET SiC a due canali per il settore automotive con protezione da spegnimento a due livelli: questo progetto di TI è una soluzione con gate driver isolato qualificato per il settore automotive per pilotare MOSFET SiC in una configurazione a semiponte. Include una doppia polarizzazione push-pull per il gate driver isolato a doppio canale, ognuna delle quali è in grado di alimentare tensioni di uscita di +15 V e -4 V e una potenza in uscita di 1 W. Come detto in precedenza, questo gate driver può erogare una corrente di source di 4 A e una corrente di picco sink di 6 A. Il suo isolamento rinforzato può reggere a picchi di 8 kV e a tensioni di isolamento RMS di 5,7 kV e ha una CMTI >100 V/ns. Come detto prima, la scheda contiene anche un circuito di spegnimento a due livelli che protegge il MOSFET da sovraelongazione di tensione in caso di cortocircuito. Questo progetto presenta una soglia di rilevamento DESAT configurabile e un tempo di ritardo per lo spegnimento del secondo stadio. Per interfacciare i segnali di guasto e reset viene usato un isolatore digitale ISO7721-Q1. Nel suo complesso, questo progetto di riferimento è idoneo per una scheda a circuiti stampati (PCB) a due strati con un fattore di forma compatto di 40×40 mm.

TIDA-01168 - Progetto di riferimento per un convertitore c.c./c.c. bidirezionale per sistemi automotive a 12 V/48 V: questo progetto funziona come una piattaforma di sviluppo per un convertitore c.c./c.c. bidirezionale a 4 fasi per sistemi automotive a 12 V/48 V. Il sistema utilizza un MCU TMS320F28027F e due controller della corrente LM5170-Q1 per il controllo dello stadio di potenza. L'MCU C2000 fornisce feedback di tensione, mentre i sottosistemi LM5170-Q1 utilizzano il feedback di corrente media per il controllo della corrente. L'utilizzo di questo schema di controllo elimina il bilanciamento della corrente di fase tipico dei convertitori multifase. I sistemi basati su LM5170-Q1 offrono un alto livello di integrazione, riducendo l'area occupata sulla PCB, semplificando la progettazione e accelerando lo sviluppo.

Prodotti

ISO7731-Q1: la famiglia di dispositivi ISO773x-Q1 si contraddistingue per alte prestazioni, isolatori digitali a tre canali con valori nominali di isolamento di 5000 VRMS (contenitore DW) e 3000 VRMS (contenitore DBQ) secondo UL 1577. Questa famiglia ha valori di isolamento rinforzato secondo CQC, CSA, TUV e VDE. Questi dispositivi offrono elevata immunità elettromagnetica e basse emissioni a un basso consumo energetico, con isolamento di I/O digitali CMOS o LVCMOS. I buffer di logica di ingresso e uscita sono separati da una barriera di isolamento al biossido di silicio (SiO₂) in ogni canale di isolamento. È possibile utilizzare i pin di abilitazione del dispositivo per impostare l'alta impedenza sulle rispettive uscite in applicazioni di comando multi-master e per ridurre il consumo energetico. Il dispositivo ISO7730-Q1 ha tutti e tre i canali nella stessa direzione, mentre ISO7731-Q1 ha due canali avanti e uno indietro. In caso di perdita di segnale o alimentazione in ingresso, l'uscita predefinita è bassa per i dispositivi con suffisso "F" e alta per quelli senza suffisso "F".

UCC21520-Q1: questo dispositivo è un gate driver a doppio canale isolato (Figura 3). Ha una corrente di source di 4 A e una corrente di picco drain di 6 A. È progettato per pilotare MOSFET di potenza, MOSFET SiC e IGBT fino a 5 MHz con basso ritardo di propagazione e bassa distorsione della larghezza di impulso. Il lato di ingresso e i due driver di uscita sono isolati da una barriera di isolamento rinforzato di 5,7 kV RMS con una CMTI minima di 100 V/ns. L'isolamento funzionale interno tra i due driver di lato secondario consente una tensione di esercizio fino a 1500 V c.c. Il progetto di questo dispositivo consente di configurare ogni driver come due driver low-side, due driver high-side o un driver a semiponte con tempi di fermo (DT) programmabili. Entrambe le uscite vengono disattivate contemporaneamente da un pin di disabilitazione, consentendo il funzionamento normale quando lasciato aperto o collegato a terra. Come misura di sicurezza intrinseca, i guasti della logica sul lato primario forzano entrambe le uscite su basso.

Figura 3: Diagramma a blocchi funzionali del gate driver isolato a due canali UCC21520-Q1 di Texas Instruments. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

UCC21222-Q1: questo gate driver isolato a due canali con tempi di fermo programmabili e ampio intervallo di temperatura è dotato di prestazioni e robustezza costanti in condizioni di temperatura estreme. La sua corrente di picco source di 4 A e la corrente di picco drain di 6 A sono studiate per pilotare MOSFET, IGBT e transistor GaN. UCC21222-Q1 ha più configurazioni: due driver low-side, due driver high-side o un driver a semiponte. Il ritardo di 5 ns consente la parallelizzazione di due uscite, raddoppiando la forza di pilotaggio per condizioni di carico elevato senza il rischio di conduzione incrociata interna. I due driver di uscita sono isolati dal lato di ingresso da una barriera di isolamento di 3,0 kV RMS con un minimo di immunità ai transitori di modo comune (CMTI) di 100 V/ns.

LM5170-Q1: la precisione e l'alta tensione essenziali di un convertitore bidirezionale a due canali per impianti automotive a due batterie di 48 V e 12 V sono rese possibili dal controller LM5170-Q1. Il controller regola la corrente media che scorre tra le porte di alta e bassa tensione nella direzione indicata dal segnale di ingresso DIR. Il livello di regolazione della corrente viene programmato tramite ingressi PWM digitali o analogici. La precisione della corrente tipica dell'1% è dovuta ad amplificatori per il rilevamento di corrente differenziale a due canali e a monitor di corrente del canale dedicati. I gate driver a semiponte da 5 A sono in grado di pilotare commutatori MOSFET paralleli che possono erogare 500 W o più per canale. Inoltre, il modo di emulazione del diodo dei raddrizzatori sincroni impedisce le correnti negative, ma consente anche il funzionamento in modo discontinuo per una migliore efficienza a bassi carichi. Nel dispositivo sono incorporate molte funzioni di protezione, tra cui il rilevamento dei guasti dei MOSFET, la protezione da sovratensione sulle porte HV e LV, la limitazione della corrente ciclo per ciclo e la protezione da sovratemperatura.

INA301-Q1: questo dispositivo include sia un amplificatore per rilevamento di corrente elevata di modo comune che un comparatore ad alta velocità, configurati per fornire protezione dalle sovracorrenti. A tale fine misurano la tensione attraverso un resistore di shunt o di rilevamento della corrente e la confrontano con un limite di soglia definito. INA301-Q1 è dotato di un intervallo di soglia regolabile che può essere impostato mediante un singolo resistore di impostazione del limite esterno. Questo monitor a shunt di corrente misura i segnali a tensione differenziale su tensioni di modo comune che possono variare da 0 fino a 36 V, a prescindere dalla tensione di alimentazione. È possibile configurare l'uscita di allarme a drain aperto per il funzionamento in modo trasparente, in cui lo stato di uscita segue lo stato di ingresso oppure in modalità bloccata, in cui l'uscita di allarme viene ripristinata quando viene ripristinato il blocco. Il rilevamento rapido degli eventi di sovracorrente è reso possibile da un tempo di risposta agli allarmi del dispositivo inferiore a 1 µs.

INA240-Q1: è un amplificatore per rilevamento di corrente con uscita di tensione con reiezione PWM migliorata, qualificato per il settore automotive. È in grado di rilevare i cali sui resistori di shunt su un ampio intervallo della tensione di modo comune da -4 a 80 V, indipendentemente dalla tensione di alimentazione. La tensione negativa di modo comune ha il vantaggio di consentire al dispositivo di funzionare sotto il livello di massa, per accettare il periodo di flyback di tipiche applicazioni a solenoide. Il rapporto di reiezione PWM potenziato del dispositivo offre alto livello di soppressione dei grandi transitori di modo comune (Δv/Δt) in sistemi che utilizzano i segnali PWM (ad esempio, comandi motore e sistemi di controllo a solenoide). Questa funzionalità assicura misurazioni precise della corrente senza grandi transitori e il relativo ripple di recupero sulla tensione di uscita. INA240-Q1 funziona da una singola fonte di alimentazione elettrica da 2,7 a 5,5 V e assorbe al massimo 2,4 mA. Attualmente sono disponibili quattro guadagni fissi: 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V e 200 V/V. Il basso offset dell'architettura a deriva zero del dispositivo consente il rilevamento della corrente con cadute massime sullo shunt di appena 10 mV a fondo scala. Le versioni di grado 1 vengono offerte in contenitori SOIC e TSSOP a 8 pin e funzionano nell'intervallo di temperatura esteso da -40 °C a +125 °C. Le versioni di grado 0 vengono offerte solo in un contenitore SOIC a 8 pin e funzionano nell'intervallo di temperatura esteso da -40 °C a +150 °C.

AMC1305M05-Q1: questo modulatore delta-sigma (ΔΣ) di precisione ha una barriera capacitiva a doppio isolamento altamente resistente all'interferenza magnetica che separa l'uscita dalla circuiteria di ingresso (Figura 4). Questa barriera è certificata per fornire isolamento rinforzato fino a 7000 VPEAK secondo gli standard DIN V VDE V 0884-10, UL1577 e CSA. Quando abbinato ad alimentatori isolati, AMC1305M05-Q1 impedisce alle correnti di rumore eventualmente presenti sulle linee ad alta tensione di modo comune di penetrare nella massa locale e di interferire o danneggiare i circuiti a bassa tensione. Questo dispositivo è ottimizzato per il collegamento diretto a resistori di shunt o altre fonti di segnale a bassa tensione e supporta al tempo stesso eccellenti prestazioni c.a. e c.c. In genere, i resistori di shunt rilevano le correnti nei caricabatterie integrati, negli inverter di trazione o in altre applicazioni automotive. Utilizzando un filtro digitale appropriato (come quelli integrati in TMS320F2837x) per decimare il flusso di bit, il dispositivo può raggiungere 16 bit di risoluzione, con una gamma dinamica di 85 dB (13,8 ENOB) a una velocità dati di 78 ksps.

Figura 4: Schema semplificato del modulatore di precisione delta-sigma (ΔΣ) AMC1305M05-Q1 di Texas Instruments. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TMS320F28069M: la famiglia Piccolo F2806x di MCU qualificati per il settore automotive include la potenza del core C28x e CLA accoppiata a periferiche di controllo altamente integrate in dispositivi a bassa piedinatura. Questi dispositivi sono compatibili a livello di codice con il codice precedente basato su C28x e forniscono anche un alto livello di integrazione analogica. Altre caratteristiche includono un regolatore di tensione interno che consente il funzionamento a rail singolo e miglioramenti al modulo HRPWM per il controllo a doppio fronte (modulazione di frequenza). Inoltre, sono stati aggiunti comparatori analogici con riferimenti interni a 10 bit che possono essere instradati direttamente per controllare le uscite ePWM. L'ADC, che ha un'interfaccia ottimizzata per basso sovraccarico e bassa latenza, converte l'intervallo di fondo scala fisso da 0 a 3,3 V e supporta i riferimenti VREFHI/VREFLO raziometrici.

ISO1042-Q1: questo dispositivo è un transceiver CAN (Controller Area Network) a isolamento galvanico che soddisfa le specifiche dello standard ISO11898-2 (2016). ISO1042-Q1 offre protezione dai guasti del bus di ±70 V c.c. e un intervallo della tensione di modo comune di ±30 V. Supporta una velocità dati fino a 5 Mbps in modalità CAN FD che consente un trasferimento del carico utile molto più veloce rispetto alla modalità CAN classica. La barriera di isolamento SiO2 di questo dispositivo ha una tensione di tenuta di 5000 VRMS e una tensione di esercizio di 1060 VRMS. La compatibilità elettromagnetica di ISO1042-Q1 è stata potenziata in modo significativo per consentire la conformità a livello di sistema con ESD, EFT, picco transitorio ed emissioni. Abbinato ad alimentatori isolati, questo dispositivo può aiutare a proteggere contro l'alta tensione e le correnti di rumore provenienti dal bus in entrata nella massa locale. ISO1042-Q1 è disponibile per applicazioni con isolamento sia base che rinforzato e supporta un ampio intervallo di temperatura ambiente da -40 a +125 °C. È disponibile in contenitori di due dimensioni, SOIC-16 (DW) e nel più piccolo SOIC-8 (DWV).

Conclusione

Il futuro del settore automotive è brillante. Tuttavia, i progetti si faranno più complessi man mano che, sulla spinta delle normative ambientali e delle richieste dei consumatori, ai veicoli verranno aggiunte ulteriori funzionalità. A sostegno di queste funzionalità, Texas Instruments offre ora un'ampia gamma di prodotti e progetti di riferimento che possono aiutare a ridurre i tempi di progettazione e portare più rapidamente i futuri progetti automotive nelle mani dei consumatori.