Cum se garantează siguranța automobilelor folosind inductoare de înaltă fiabilitate

Sistemele avansate de asistență pentru șofer (ADAS) și sistemele de conducere automată (ADS) sunt sisteme de conducere autonomă pentru automobile, esențiale pentru siguranță, care cuprind unul sau mai multe procesoare avansate care iau decizii critice pe baza intrărilor de la mai mulți senzori. De obicei, aceste procesoare funcționează la diferite niveluri de joasă tensiune, dar pot consuma curent în gama de amperi (A) de două cifre.

Circuitele integrate de gestionare a energiei (PMIC) sunt utilizate pentru a furniza mai multe tensiuni procesoarelor, dar acestea necesită inductoare de înaltă fiabilitate pentru a asigura o putere stabilă. Aceste inductoare trebuie să poată suporta curenți mari cu pierderi de putere reduse la frecvențe de comutare a puterii de până la 10 megahertzi (MHz). De asemenea, inductoarele trebuie să fie eficiente din punct de vedere volumetric, cu o amprentă mică pe placa de circuite imprimate (PC) și un profil redus. La fel ca toate componentele din sistemele de conducere autonomă, acestea trebuie să respecte standardele stricte de fiabilitate și siguranță impuse de industria auto, cum ar fi AEC-Q200.

Acest articol descrie pe scurt cerințele de procesare ale ADAS/ADS. Apoi, prezintă inductoarele de la TDK care au fost concepute special pentru această aplicație și arată cum caracteristicile lor unice pot contribui la asigurarea unui proiect auto robust și sigur.

Sisteme autonome de conducere

Un sistem ADAS/ADS tipic utilizează un procesor specializat cu interfață cu mai mulți senzori pentru a lua deciziile rapide necesare pentru conducerea autonomă (Figura 1).

Figura 1: Procesorul dintr-un ADAS/ADS are nevoie de o alimentare fiabilă de joasă tensiune la niveluri ridicate de curent, care este furnizată de un PMIC pentru a controla vehiculul pe baza intrărilor senzorilor. (Sursa imaginii: EPCOS-TDK)

Tensiunea pe șina de alimentare pentru aceste procesoare este, în general, scăzută, de aproximativ 1 volt, dar nivelurile de curent pot fi de ordinul zecilor de amperi, ceea ce pune presiune asupra PMIC. Convertorul secundar din Figura 1 utilizează opt inductoare de putere cu PMIC pentru a furniza energie procesorului.

Inductoarele de putere sunt dispozitive pasive care stochează energie în câmpurile lor electromagnetice și sunt utilizate pe scară largă în circuitele de alimentare și în convertoarele c.c./c.c. Utilizate împreună cu PMIC ca și convertoare de coborâre, inductoarele de putere sunt componente cheie care afectează performanța procesului de conversie a puterii (Figura 2).

Figura 2: O schemă simplificată a unui convertor de coborâre simplu evidențiază rolul inductorului de putere. (Sursa imaginii: EPCOS-TDK)

Un convertor de coborâre produce o tensiune de ieșire mai mică decât tensiunea de intrare. Într-un convertor de coborâre, un comutator este plasat în serie cu sursa de tensiune de intrare (V_IN). Sursa de intrare alimentează ieșirea prin intermediul comutatorului și al unui filtru trece-jos. Filtrul este implementat cu un inductor de putere și un condensator de ieșire. Într-o stare stabilă de funcționare, când comutatorul este pornit pentru o perioadă de T_ON, intrarea acționează ieșirea, precum și inductorul de putere. În timpul acestei perioade T_ON , diferența dintre nivelurile de tensiune dintre V_IN și tensiunea de ieșire (V_OUT) este aplicată inductorului în direcția înainte, așa cum arată săgeata „comutator pornit”. Curentul inductorului (I_L) crește liniar până la I_peak.

Atunci când comutatorul este oprit (T_OFF), curentul inductorului continuă să circule în aceeași direcție datorită energiei stocate în inductor care continuă să furnizeze curent către sarcină prin dioda de comutație, așa cum este ilustrat de săgeata „comutator oprit”. În timpul acestei perioade T_OFF, inductorului i se aplică tensiunea de ieșire V_OUT în sens invers, iar curentul inductorului scade de la valoarea I_peak. Acest lucru rezultă într-un curent de ondulație triunghiulară. Magnitudinea curentului de ondulație este legată de inductanța inductorului de putere. Valoarea inductanței este, în general, setată astfel încât să rezulte un curent de ondulație de 20-30% din curentul nominal de ieșire. Tensiunea de ieșire va fi proporțională cu ciclul de funcționare al comutatorului.

Dacă sarcina este crescută brusc, va exista o scădere a tensiunii de ieșire, ceea ce va duce la un curent de vârf anormal de mare prin inductorul de putere într-un timp scurt pentru a încărca condensatorul de ieșire. Valoarea inductorului de putere afectează răspunsul tranzitoriu al convertorului: valorile mici ale inductorului accelerează timpul de recuperare, iar valorile mai mari măresc timpul de recuperare.

În mediul vehiculelor, aceste inductoare trebuie să îndeplinească standarde electrice și mecanice foarte înalte. Cel mai important dintre acestea este fiabilitatea ridicată. Fiabilitatea și calitatea componentelor pasive destinate funcționării în vehicule sunt calificate în conformitate cu standardele stabilite de Automotive Electronics Council (AEC). Componentele pasive sunt calificate în conformitate cu AEC-Q200, standardul global pentru rezistența la stres pe care toate componentele electronice pasive trebuie să îl îndeplinească dacă sunt destinate utilizării în industria auto. Testele includ rezistența la șocuri, vibrații, umiditate, solvenți, căldură de lipire, flexiune a plăcii și descărcare electrostatică (ESD). Testele includ, de asemenea, teste de temperatură de la -40 °C la +125 °C, cu expunere la temperaturi extreme și cicluri termice.

Pentru aplicațiile auto, inductoarele trebuie să aibă dimensiuni compacte și să poată funcționa în intervalul de temperatură prevăzut pentru automobile. Această ultimă capacitate necesită o rezistență în serie redusă pentru a minimiza pierderile de putere și pentru a minimiza creșterea temperaturii. De asemenea, inductoarele trebuie să poată funcționa la frecvențe de comutare a puterii cuprinse între 2 și 10 MHz, care sunt utilizate în mod obișnuit de PMIC-uri, și să poată face față unor sarcini tranzitorii ridicate, cu posibilitatea unor curenți de saturație mari.

Inductoare de putere concepute pentru automobile

Inductoarele de putere din seria CLT32 de la EPCOS-TDK sunt concepute pentru aplicații ADAS/ADS și se caracterizează prin fiabilitate ridicată, valori nominale ridicate ale curentului, rezistență redusă în serie, curenți de saturație mari și dimensiuni reduse (Figura 3).

Figura 3: Inductoarele de putere TDK din seria CLT32 au o structură bobină/terminal dintr-o singură bucată care utilizează o înfășurare groasă de cupru fără conexiuni interne. Materialul de turnare magnetic asigură o caracteristică de saturație slabă. (Sursa imaginii: EPCOS-TDK)

Inductoarele de putere CLT32 sunt formate în jurul unei bobine de cupru gros dintr-o singură bucată, cu o structură terminală integrală. Acest lucru înseamnă că nu există conexiuni interne care să provoace o funcționare nesigură. Bobina groasă din cupru menține, de asemenea, rezistența în serie la un nivel scăzut de 0,39 miliohmi (mΩ) pentru a minimiza pierderile de putere. Rezistența mai mică determină și căldură redusă generată sub sarcină.

Bobina este supraturnată cu un compus plastic feromagnetic nou dezvoltat, care formează atât miezul bobinei, cât și carcasa exterioară. Materialul de bază are caracteristici electrice excelente, chiar și la temperaturi ridicate și în aplicații de înaltă frecvență. În mod special, pierderile reduse ale miezului sunt de remarcat. De asemenea, capacitatea materialului de a fi prelucrat la presiune și temperatură scăzută minimizează stresul asupra bobinei în timpul producției.

Materialul miezului oferă o caracteristică de saturație slabă în comparație cu materialele alternative de ferită. Modificarea inductanței ca urmare a saturației magnetice este exprimată ca abatere a saturației, măsurată ca variație procentuală a inductanței (Figura 4).

Figura 4: Ca răspuns la saturația magnetică, miezul CLT32 prezintă o abatere scăzută a saturației, oferind un răspuns slab. (Sursa imaginii: EPCOS-TDK)

Materialul miezului CLT32 oferă o schimbare evident mai mică a valorii inductanței ca urmare a saturației, în special la temperaturi mai ridicate. Acestea oferă curenți de saturație maximi de până la 60 A.

Întregul inductor se potrivește într-o capsulă cu profil redus care măsoară 3,2 x 2,5 x 2,5 milimetri (mm). Această eficiență volumetrică ridicată înseamnă că pot fi utilizate mai multe inductoare fără a fi nevoie să se mute proiectul pe o placă de circuite imprimate mai mare. Inductoarele sunt proiectate pentru a funcționa într-un interval de temperatură cuprins între -40 °C și +165 °C. Acest interval de temperatură depășește cerințele temperaturii maxime de testare AEC-Q200 de 125 °C, menționate mai sus.

Inductoarele de putere TDK CLT32 sunt disponibile în valori de inductanță de la 17 la 440 nanohenry (nH), după cum se arată în Tabelul 1.

Tabelul 1: Sunt prezentate caracteristicile specificate ale inductoarelor de putere TDK CLT32 și codul de comandă corespunzător. Toate se potrivesc în aceeași capsulă cu profil redus de 3,2 x 2,5 x 2,5 x 2,5 mm. (Sursa tabelului: EPCOS-TDK)

Făcând referire la tabel, R_DC este rezistența în serie a inductorului. Rețineți că aceasta crește odată cu valoarea inductanței datorită numărului mai mare de spire necesare pentru o inductanță mai mare. I_SAT este curentul de saturație bazat pe reducerea valorii inductanței datorată saturației, care variază invers față de inductanță. I_temp este curentul nominal maxim, bazat pe creșterea temperaturii în capsulă. De asemenea, I_temp variază invers cu valoarea inductanței.

Pierderile într-un inductor de putere includ pierderile c.c. proporționale cu rezistența în serie a bobinei. Există, de asemenea, pierderi c.a. din cauza efectului pelicular, a pierderilor de histerezis și a pierderilor de curent turbionar. Pierderile c.a. de tip turbionar sunt legate de materialul miezului.

În comparație cu tehnologiile alternative, cum ar fi inductoarele cu peliculă subțire sau compozite din metal, inductoarele CLT32 prezintă o pierdere de putere mai mică a curentului de ondulație (Figura 5).

Figura 5: Inductoarele de putere CLT32 au pierderi de putere mai mici în curentul de ondulație decât tehnologiile inductoarelor cu peliculă subțire sau compozit metalic. (Sursa imaginii: EPCOS-TDK)

Pierderile reduse de ondulație în curent alternativ înseamnă că pot fi tolerați curenți de ondulație mai mari, permițând valori mai mici ale capacității în convertoarele c.c./c.c.

Pierderile mai mici se traduc, de asemenea, printr-o eficiență mai mare în comparație cu alte tipuri de inductoare (Figura 6).

Figura 6: Comparația performanțelor inductoarelor de putere într-un convertor de coborâre cu o singură ieșire arată eficiența mai mare a inductoarelor de putere CLT32. (Sursa imaginii: EPCOS-TDK)

În cazul unor sarcini ușoare, pierderile miezului domină eficiența inductorului de putere. O încărcare mai mare reduce eficiența din cauza pierderilor rezistive. În toate cazurile, inductoarele de putere CLT32 sunt mai bune decât tehnologiile alternative.

Concluzie

Conceptele inovatoare de proiectare încorporate în inductoarele de putere TDK din seria CLT32 oferă dimensiuni mai mici și performanțe electrice mai bune decât tehnologiile competitive, asigurând în același timp o fiabilitate mai mare. Domeniul larg de temperatură și gama largă de frecvențe le fac componente ideale pentru utilizarea în proiectele ADAS/ADS de ultimă generație.