I CI di gestione della potenza (PMIC) fanno la loro comparsa in posti inaspettati

Dove è presente energia elettrica, occorre un certo livello di monitoraggio e gestione. Ovviamente, questa non è una novità per nessun progettista con esperienza nel mondo reale. La cosa interessante è come la proliferazione dell'elettronica in generale - e di quella intelligente in particolare - abbia anche ampliato la necessità di Ci di gestione della potenza (PMIC) molto specifici.

Ciò è dovuto alla diffusione di processori, firmware e controllo del movimento in applicazioni di nicchia meno ovvie. La necessità di PMIC sta raggiungendo anche le automobili, perché i progettisti fanno un uso crescente di interfacce e controlli basati su processori, proprio come descritto anni fa nel saggio intitolato "Perché il software sta divorando il mondo".

Pensiamo all'umile finestrino dell'auto. Fino a circa 50 anni fa, questi finestrini si alzavano e abbassavano tramite un collegamento meccanico azionato da una semplice manovella che veniva girata a mano. Ogni occupante dell'auto doveva gestire il proprio finestrino usando il proprio "braccio" come fonte di energia (Figura 1).

Figura 1: Il finestrino azionato a mano con una manovella è stata per molti anni l'unica opzione. (Immagine per gentile concessione di How a Car Works)

Se la manovella si rompeva, se ne poteva comprare una di ricambio in qualsiasi negozio di forniture per auto. Erano molto diffuse anche le manovelle decorative aftermarket (Figura 2).

Figura 2: Quando i finestrini erano azionati a manovella, le normali manovelle di ricambio, così come le versioni decorative, erano articoli standard nei negozi di forniture per auto. (Immagine per gentile concessione di Joom SIA)

Gli alzacristalli elettrici vennero introdotti per la prima volta negli anni '40, ma usavano un sistema idraulico controllato elettricamente perché la tecnologia dei piccoli motori elettrici (dimensioni, potenza e controllo) non era abbastanza avanzata da permettere di incorporarli nella portiera. Negli anni '60, però, la Cadillac Fleetwood fu dotata di serie di finestrini azionati da motori elettrici e nel giro di un decennio gli alzacristalli elettrici diventarono una funzione standard sulla maggior parte delle auto, con un tasso di adozione abbastanza rapido sul mercato di massa.

Per quello che è formalmente definito un regolatore di finestrini venivano usati due meccanismi di base: il regolatore di tipo a cavo della Ford (Figura 3) e il regolatore di tipo a ingranaggi della Toyota (Figura 4).

Figura 3: Il meccanismo elettrico della Ford per il regolatore del finestrino utilizzava un cavo e un gruppo scorrevole. (Immagine per gentile concessione di Samarins)

Figura 4: Il meccanismo elettrico della Toyota era basato su una disposizione a "bracci incrociati" con ingranaggi. (Immagine per gentile concessione di Samarins)

A prescindere dal disegno meccanico utilizzato, entrambi avevano un aspetto in comune. L'alimentazione non regolata a 12 V c.c. andava direttamente dalla batteria dell'auto ai motori dei finestrini passando per i singoli interruttori di controllo del conducente/passeggero. Di conseguenza, l'inclusione di questa "comodità" nell'auto è andata ad aumentare il peso crescente di cablaggi più spessi e le sfide di instradarli dentro il veicolo.

Per fortuna, la migrazione verso l'uso di reti a bassa velocità come il bus CAN (Controller Area Network) o il bus LIN (Local Interconnect Network) all'interno dell'auto ha ridotto la difficoltà del cablaggio. Ora, l'alimentazione a 12 V va solo al motore del regolatore nella portiera, mentre un interruttore collegato in rete con un cablaggio più sottile può segnalare al controller del motore di alzare/abbassare/fermare il finestrino. Nel giro di pochi anni, quello che era iniziato come un controller di base inserito in una rete per finestrini e motori si è evoluto fino a diventare un controller intelligente basato su processore, con caratteristiche e funzioni avanzate.

Come per la maggior parte dei miglioramenti, ci sono altri "effetti a catena". Il miglioramento dell'interfaccia di rete/del circuito del controller del motore dei finestrini richiede una gestione e una regolazione più sofisticata dell'alimentazione, ed è qui che entra in scena un PMIC. Questo integrato è un monitor di tensione a finestra dell'alimentazione c.c. ed è provvisto di autotest integrato per garantire il rilevamento tempestivo di qualsiasi variazione eccessiva di tensione o altri problemi affinché siano prese le misure appropriate prima che si produca un danno al motore o ai componenti associati.

Questa è la funzione di MAX16137 di Maxim Integrated. Questo CI di monitoraggio della tensione a bassa tensione e alta precisione tiene sotto controllo un singolo rail della tensione di alimentazione del sistema per individuare eventuali problemi di sottotensione e sovratensione. Controlla in particolare le esigenze degli alzacristalli elettrici delle automobili e dei loro circuiti integrati di interfaccia/controller, ma può essere usato anche per compiti simili in altre parti del veicolo (Figura 5).

Figura 5: Il CI di monitoraggio della tensione MAX16137 opera congiuntamente al gestore del controllo motore per tenere sotto controllo il rail di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Quando la tensione di alimentazione monitorata scende al di sotto della soglia di sottotensione o sale sopra quella di sovratensione, l'uscita di reset del CI si abbassa. Tornerà "normale" dopo un periodo di timeout di reset quando sarà ritornata entro la finestra della soglia di sottotensione e sovratensione. La precisione dell'1% fornisce la coerenza della supervisione, mentre il valore della finestra di sovratensione/sottotensione può essere impostato in fabbrica tra ±4% e ±11% della tensione target.

Questo è solo uno dei ruoli di MAX16137. Oltre a ciò, la sua esclusiva capacità diagnostica grazie all'autotest integrato (BIST) verifica lo stato del circuito di reset interno durante l'accensione (Figura 6). Se il BIST fallisce, MAX16137 abbassa la propria uscita BIST per allertare il processore associato.

Figura 6: Oltre a una rigorosa gestione dell'alimentazione, MAX16137 ha un blocco BIST che controlla lo stato del circuito di reset interno durante l'accensione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated Products)

Lo spazio nelle portiere delle auto è limitato, quindi il contenitore a 8 conduttori, di 2×2 mm di MAX16137 risulta particolarmente appropriato. In più è ovviamente qualificato AEC-Q100. La diagnostica avanzata a livello di chip aiuta gli sviluppatori a soddisfare i requisiti di sicurezza funzionale a livello di sistema con uno spazio sulla scheda estremamente ridotto.

Conclusione

Se un progetto ha processori fisicamente diffusi e controller intelligenti, specie in un ambiente elettricamente difficile come un'automobile, è importante avere PMIC localizzati per evitare che i problemi di alimentazione e i glitch causino malfunzionamenti transitori o permanenti del sistema. Gli utenti si aspettano prestazioni costanti e affidabili e non vogliono vedere accendersi una spia "controlla il motore" per problemi associati ai molti processori/controller sparsi nell'auto. Questo è specialmente vero quando molti di questi nodi sparsi non sono cruciali per le funzioni di base dell'auto. CI come MAX16137 offrono una soluzione per assicurare affidabilità anche in condizioni estreme.

Riferimenti:

1. GoMechanic, "Power Windows In Cars and the Interesting History Behind Them"

https://gomechanic.in/blog/history-behind-power-windows/

2. Wikipedia, "Alzacristallo"

https://it.wikipedia.org/wiki/Alzacristallo

3. Samarins, "Power window regulator, window motor: problems, testing, replacement"

https://www.samarins.com/glossary/window-regulator.html