Utilizzare circuiti integrati specifici per l'applicazione per semplificare la progettazione dell'elettronica delle portiere delle auto

Entro il 2030, l'elettronica assorbirà il 50% del costo di un veicolo e le portiere vedranno un aumento di contenuti elettronici. Progettare l'elettronica delle portiere non è un compito semplice. Ognuna di esse richiede infatti un controller, una Controller Area Network (CAN) o transceiver Local Interconnect Network (LIN) per potersi connettere agli altri sistemi del veicolo, a più driver per motori e regolatori di tensione. Questi dispositivi e queste reti possono risultare complessi, costosi, pesanti e dispendiosi anche in termini di tempo di progettazione, per cui i progettisti stanno cercando delle soluzioni che semplifichino le applicazioni e la distinta base.

Un aiuto lo trovano nei prodotti standard specifici (ASSP) progettati per le applicazioni automobilistiche. Grazie a queste soluzioni possono inoltre sfruttare un approccio centralizzato o decentralizzato all'elettronica delle portiere, a seconda della complessità del progetto e dei vincoli di costo.

Questo articolo descrive l'evoluzione dei sistemi elettronici per portiere collegate in rete e spiega i rispettivi vantaggi e svantaggi degli approcci centralizzati e decentralizzati. Illustra quindi come utilizzare gli ASSP per facilitare la progettazione di una singola centralina (BCU, unità di controllo scocca) per una progettazione centralizzata o di singole BCU per ogni portiera nell'approccio decentralizzato. Infine, mostra come questi approcci si integrano nella rete veicolare (IVN) dell'auto tramite soluzioni CAN e LIN. A titolo di esempio verranno utilizzate soluzioni di ON Semiconductor.

L'evoluzione dell'elettronica delle automobili e delle funzioni di connettività di rete

L'elettronica delle automobili è nata con la necessità di centraline di controllo motore (ECU) per gestire l'iniezione di carburante, quando hanno iniziato a soppiantare i carburatori negli anni '70. Da allora, l'elettronica ha conosciuto una crescita inarrestabile. Oggi un veicolo di alta gamma vanta sistemi elettronici completi per quattro aree chiave:

• Il gruppo propulsore (controllo del motore, controllo della trasmissione, starter/alternatore)
• Carrozzeria e comfort (luci, HVAC, sedile e portiere, accesso remoto senza chiave)
• Sicurezza (ABS, servosterzo, airbag, sistemi di assistenza alla guida)
• Infotainment (navigazione, audio, multimedia, connettività cellulare, Bluetooth, telematica, cruscotto)

Ognuno di questi sistemi utilizza moduli computerizzati dedicati, ognuno dei quali è collegato tramite una IVN basata su tecnologia CAN e/o LIN.

CAN è uno standard di bus per veicoli progettato per consentire ai moduli computerizzati e ai sensori/attuatori di comunicare senza la necessità di un computer host. Assegna la priorità alle connessioni, quindi nel caso in cui vi siano più dispositivi che trasmettono contemporaneamente, per evitare conflitti e ritardi nelle funzioni critiche, la priorità viene data al dispositivo più importante. CAN è troppo costoso per essere usato per il collegamento di ogni componente elettronico di un veicolo. Quindi, per aggiungere tutti i dispositivi all'IVN, spesso è accompagnato da LIN che utilizza una tecnologia di collegamento seriale meno complessa e meno costosa per funzioni per le quali il tempo non rappresenta un fattore cruciale, come ad esempio il comfort del passeggero.

Questo articolo è dedicato ai sistemi elettronici associati alla portiera di un veicolo. Come in altre parti dell'auto, anche qui si è fatto sempre più ricorso all'elettronica per aumentare la comodità del conducente.

La maggior parte delle auto odierne ha finestrini, chiusure e specchietti a controllo elettronico e, più di recente, sono state introdotte funzioni come la protezione anti intrappolamento. I veicoli di lusso sono dotati di sbrinamento degli specchietti retrovisori, di indicatori di direzione montati sugli specchietti e di illuminazione interna delle portiere. I modelli di fascia alta di ultima generazione includeranno il controllo elettrocromico degli specchietti che scurisce quelli laterali a seconda della luminosità delle luci degli altri veicoli.

Controllo decentralizzato e centralizzato dell'elettronica delle auto

Attualmente, l'approccio più comune è quello della topologia centralizzata per l'elettronica delle portiere, specie per i veicoli più economici con funzionalità delle portiere limitate. La BCU - un modulo che comprende i sistemi INV, un microprocessore, i driver attuatori e componenti discreti - è collegata agli attuatori presenti in ogni portiera tramite i cavi lungo i quali corre l'alimentazione e tramite cavi separati per la comunicazione CAN o LIN. I vantaggi principali di questo approccio sono il costo (è sufficiente una sola BCU) e la scalabilità (Figura 1).

Figura 1: Un sistema centralizzato dell'elettronica delle portiere fa risparmiare sui costi perché utilizza una sola BCU. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Tuttavia, nei veicoli di fascia alta la topologia centralizzata è sempre meno usata perché richiede un livello di funzionalità molto più elevato, che a sua volta impone l'uso di un maggior numero di cavi. Di conseguenza, i cablaggi diventano pesanti, complessi e costosi.

L'alternativa è l'approccio decentralizzato, in cui ogni portiera ha la propria BCU. In questa implementazione, la maggior parte dei cavi sono localizzati e serve un unico alimentatore per la BCU (che provvede poi a distribuire l'energia localmente agli attuatori delle portiere) e un collegamento CAN e/o LIN che arrivi al resto del veicolo. I vantaggi principali sono una drastica riduzione del peso, della complessità e del costo del cablaggio, nonché la possibilità di progettare la BCU in funzione della portiera specifica per cui è stata concepita. Ad esempio, le BCU per le portiere anteriori hanno bisogno di più funzionalità rispetto agli specchietti laterali di servizio (Figura 2).

Figura 2: Un sistema decentralizzato riduce il peso e la complessità dei cavi. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Anche se la popolarità della topologia decentralizzata sta aumentando, niente lascia pensare che l'approccio centralizzato stia scomparendo. La scelta del metodo di progettazione dipende in gran parte dal compromesso tra costi e complessità del cablaggio.

I fornitori offrono prodotti che semplificano la progettazione di soluzioni sia decentralizzate che centralizzate. Ad esempio, ON Semiconductor offre una vasta gamma di ASIC, ASSP e componenti discreti per l'elettronica delle portiere. I progettisti sono quindi liberi di scegliere il microcontroller che preferiscono (Figura 3).

Figura 3: ON Semiconductor offre una vasta gamma di ASIC, ASSP e soluzioni discrete per BCU sia decentralizzate che centralizzate, lasciando al progettista la libertà di scegliere il microcontroller che preferisce. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Reti per veicoli

Quale che sia la loro scelta - progettazione decentralizzata o centralizzata per il controllo dell'elettronica delle portiere - i progettisti dovranno assicurarsi che la BCU sia integrata nell'IVN. La connettività CAN è facilitata da un controller CAN accoppiato a un transceiver CAN che costituisce l'interfaccia tra il controller e il bus fisico. Fra gli esempi di transceiver CAN idonei per le applicazioni automotive vi è NCV7341D21R2G di ON Semiconductor, un dispositivo CAN ad alta velocità a 1 megabit al secondo (Mbit/s). Il chip è dotato di un ricevitore differenziale con un elevato intervallo di modo comune per una buona immunità elettromagnetica (EMI) in ambienti automobilistici difficili. Inoltre, i pin del bus del chip sono protetti contro i transitori di tensione che possono affliggere gli impianti elettrici automobilistici (Figura 4).

Figura 4: Schema di un'applicazione tipica del transceiver CAN NCV7341D21R2G con controller CAN a 5 V. Il transceiver è una buona scelta per il collegamento all'IVN sia per sistemi decentralizzati che per quelli centralizzati delle portiere delle auto. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Un sistema decentralizzato richiederà non solo la connettività CAN all'IVN ma anche quella LIN tra le BCU anteriori e posteriori, come mostrato nella Figura 2. La BCU della portiera anteriore è collegata a CAN, ma per risparmiare sui costi e sui cablaggi, la BCU posteriore è collegata in serie alla BCU anteriore tramite LIN. LIN ha un solo filo per ogni nodo, per cui il cablaggio ne risulta semplificato e i costi sono inferiori. Anche se il throughput arriva al massimo a 20 kbit/s, è comunque adeguato per il controllo di dispositivi come serrature delle portiere, finestrini e specchietti laterali.

Il transceiver LIN NCV7321D12R2G di ON Semiconductor è una buona scelta per la connettività LIN dell'elettronica montata nelle portiere. All'interno del chip vi sono il trasmettitore LIN, il ricevitore LIN, i circuiti di reset all'accensione (POR), l'arresto termico e quattro modalità operative (non alimentato, standby, normale e sospensione). Le modalità dipendono dalla tensione di alimentazione (V_BB, da 5 a 27 V), dai segnali di ingresso di abilitazione (EN) e attivazione (WAKE) e dall'attività sul bus LIN. Il transceiver è ottimizzato per il massimo throughput e presenta buone caratteristiche EMI grazie alla bassa velocità di variazione dell'uscita LIN.

La topologia LIN utilizza un singolo nodo master che controlla fino a 16 nodi slave. In un sistema decentralizzato, le BCU anteriori e posteriori incorporano un nodo master, mentre le unità periferiche come i pannelli di controllo dei finestrini incorporano nodi slave, come mostrato nella Figura 2. Il nodo master accoppia il transceiver LIN con un microcontroller idoneo (Figura 5).

Figura 5: Schema di un'applicazione tipica del transceiver LIN NCV7321D12R2G in una configurazione di nodi master. Ogni nodo master può controllare fino a 16 nodi slave. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Driver attuatori delle portiere

Altri componenti chiave delle BCU per topologie decentralizzate o centralizzate sono i driver attuatori richiesti per alimentare le serrature delle portiere, gli specchietti, i finestrini e altri sistemi. ON Semiconductor offre NCV7703CD2R2G, un triplo driver a semiponte progettato espressamente per il controllo del movimento industriale e delle auto per queste applicazioni. I tre driver a semiponte possono essere controllati indipendentemente tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI) standard e forniscono un'uscita tipica di 500 mA che può arrivare a un massimo di 1,1 A. Il chip può essere alimentato con una tensione di alimentazione da 3,15 a 5,25 V e una tensione di carico da 5,5 a 40 V.

Una limitazione importante della progettazione è la temperatura massima del die. Il die non deve superare i 150 °C anche se questo limita quanti dei tre driver del dispositivo possono essere utilizzati contemporaneamente.

Il controllo del pilotaggio in uscita e la segnalazione dei guasti vengono gestiti tramite la porta SPI. Una funzione EN fornisce una modalità di bassa corrente di sospensione quiescente quando il dispositivo non è in uso, mentre sugli ingressi EN, SI e SCLK un resistore di pull down garantisce che siano impostati su uno stato basso se un segnale di ingresso viene interrotto.

Nella Figura 6 viene mostrato come il triplo driver a semiponte NCV7703CD2R2G viene utilizzato in un sistema di posizionamento degli specchietti laterali. In questa disposizione, l'uscita dei tre driver a semiponte alimenta i due motori elettrici utilizzati per spostare lo specchietto in direzione X e Y.

Figura 6: Un diagramma a blocchi del triplo driver a semiponte NCV7703CD2R2G di ON Semiconductor in un'applicazione di regolazione della posizione dello specchietto mostra come l'uscita dei tre driver alimenta i due motori elettrici utilizzati per muovere lo specchietto in direzione X e Y. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Per controllare più driver tripli a semiponte NCV7703CD2R2G è sufficiente un solo microprocessore; questo permette di ridurre la distinta base dell'elettronica delle portiere. La soluzione più efficiente consiste nel far funzionare i driver in parallelo, in cui ogni dispositivo è controllato in modo multiplato.

In una configurazione seriale, le informazioni di programmazione per l'ultimo dispositivo della stringa seriale devono prima passare attraverso tutti i dispositivi precedenti. Una topologia di controllo parallela elimina questo requisito, ma restringe la scelta del processore a un dispositivo dotato di pin di selezione chip (CSB) per ogni driver. I dati seriali vengono così riconosciuti solo dal dispositivo che viene attivato attraverso il rispettivo pin CSB (Figura 7).

Figura 7: Il costo della distinta base per l'elettronica delle portiere può essere ridotto utilizzando un solo microprocessore per controllare più tripli driver a semiponte. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Il triplo driver a semiponte NCV7703CD2R2G richiede una regolazione a 5 V sul suo ingresso di alimentazione per il funzionamento interno. Una buona opzione per questo requisito è il regolatore di tensione lineare NCV8518BPWR2G di ON Semiconductor. Il chip ha un'uscita fissa di 5 V e regola entro ±2%. È idoneo per tutti gli ambienti automobilistici e ha una bassa caduta di tensione di 425 mV tipici e una bassa corrente di quiescenza di 100 µA. Le caratteristiche di sicurezza comprendono l'arresto termico, la protezione dai cortocircuiti e la capacità di gestire transitori fino a 45 V. Il regolatore di tensione lineare può essere utilizzato anche per alimentare il microprocessore della BCU (Figura 8).

Figura 8: Il regolatore di tensione lineare NCV8518BPWR2G è una buona scelta per alimentare un'uscita di 5 V per il driver attuatore e il microprocessore su una BCU. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Per le parti dell'elettronica delle portiere che richiedono un'opzione più economica, un regolatore di tensione lineare alternativo è NCV8184DR2G. Il chip fornisce una tensione di uscita bufferizzata regolabile tra -3,0 e 45 V che segue da vicino (±3,0 mV) l'ingresso di riferimento. Ha una tensione di funzionamento tra 4,0 e 42 V.

Una caratteristica utile di NCV8184DR2G è la sua capacità di resistere a un cortocircuito della batteria dell'auto senza subire danni, in una configurazione convenzionale (Figura 9). Il chip può resistere a un cortocircuito della batteria anche se è alimentato da un'alimentazione isolata a bassa tensione.

Figura 9: NCV8184DR2G è un'opzione più economica per la regolazione della tensione della BCU, in grado di resistere al cortocircuito della batteria di un veicolo. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Componenti discreti

Oltre ai dispositivi monolitici per IVN, ai driver attuatori e alla regolazione della tensione, ON Semiconductor offre una gamma di componenti discreti per l'elettronica delle portiere, come i diodi Zener di grado automotive. Questi diodi possono essere utilizzati per proteggere il sensibile silicio delle BCU dai picchi di tensione causati da fattori esterni come i fulmini e le scariche elettrostatiche (ESD) attraverso la soppressione della tensione transitoria (TVS). (Per ulteriori informazioni sulla protezione dell'elettronica delle auto, vedere l'articolo della libreria DigiKey "Protezione integrata con diodi TVS per migliorare l'affidabilità di bus CAN".)

I diodi Zener - combinati con un resistore e un MOSFET - possono essere usati anche come base per un regolatore di tensione lineare economico e compatto. Un regolatore di tensione lineare può essere assemblato da componenti discreti che regolano la tensione di alimentazione dalla batteria del veicolo per alimentare i pre-driver e i driver attuatori (Figura 10). La batteria di un'auto alimenta circa 14 V, mentre la tensione di alimentazione (V_S) per il triplo driver a semiponte NCV7703CD2R2G può aggirarsi tra 5,5 e 40 V. Questo semplice ed economico regolatore di tensione lineare a diodi Zener mantiene una tensione costante per l'elettronica delle portiere al variare della tensione in uscita dalla batteria dell'auto.

Figura 10: Parte di una BCU dell'elettronica delle portiere che mostra un regolatore di tensione lineare assemblato da componenti discreti (evidenziati). Il dispositivo regola la tensione della batteria del veicolo (Vbat) alla tensione di alimentazione (VS) richiesta per i ponti degli attuatori. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Un diodo Zener idoneo per questa applicazione è SZBZX84C5V1LT3G di ON Semiconductor. Si tratta di un diodo Zener di grado automotive (AEC-Q101) offerto nel compatto contenitore SOT-23. Questi dispositivi forniscono la regolazione della tensione con requisiti di spazio minimi. Il diodo Zener ha una dissipazione di potenza massima di 250 mW e una capacità di tensione di breakdown Zener che va da 2,4 a 75 V, a seconda del componente selezionato.

Il regolatore completo richiede un resistore per limitare la corrente che attraversa il diodo Zener. Il resistore deve essere scelto in modo da consentire che al carico e allo Zener arrivi un flusso di corrente sufficiente per permettere la regolazione, ma non molto di più. Il regolatore Zener ha un'alta impedenza della sorgente perché tutta la corrente del carico deve attraversare il resistore di limitazione della corrente, limitando la quantità di corrente che il regolatore può fornire al carico. Questa limitazione viene superata bufferizzando l'uscita del diodo Zener con un amplificatore a drain comune come il MOSFET mostrato nella Figura 10. (Per ulteriori informazioni, vedere l'articolo Maker.io "Regolatore a diodo Zener con buffer di corrente del transistor".)

Conclusione

L'elettronica delle portiere è diventata sempre più complessa man mano che i costruttori di auto hanno aggiunto ulteriori funzionalità ai loro veicoli. Questa tendenza ha reso più difficile per gli ingegneri progettare sistemi in grado di soddisfare i rigidi vincoli di costo, peso, spazio e affidabilità.

Come è stato dimostrato, gli ASIC, gli ASSP e i componenti discreti progettati per soddisfare gli standard automobilistici che si completano a vicenda, facilitano la sfida progettuale e consentono un approccio modulare alla progettazione dell'elettronica delle portiere. Questo approccio semplifica il rispetto delle specifiche e dei vincoli della distinta base, pur assicurando buone prestazioni e affidabilità.

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