Sådan sikres bilers sikkerhed ved hjælp af induktorer med høj pålidelighed

Avancerede køreassistentsystemer (ADAS) og automatiserede køresystemer (ADS) er sikkerhedskritiske autonome køresystemer til biler, der består af en eller flere avancerede processorer, som træffer kritiske beslutninger baseret på input fra flere sensorer. Disse processorer arbejder typisk ved forskellige lave spændingsniveauer, men kan trække strøm i det tocifrede ampereområde (A).

Integrerede strømstyringskredsløb (PMIC'er) bruges til at levere flere spændinger til processorerne, men de kræver induktorer med høj pålidelighed for at sikre stabil strøm. Disse induktorer skal kunne håndtere store strømme med lavt effekttab ved strømkoblingsfrekvenser på op til 10 megahertz (MHz). Induktorerne skal også være volumetrisk effektive med et lille printkort-fodaftryk og en lav profil. Som alle komponenter i autonome køresystemer skal de opfylde de strenge pålideligheds- og sikkerhedsstandarder, der kræves af bilindustrien, såsom AEC-Q200.

Denne artikel beskriver kort kravene til behandling af ADAS/ADS. Derefter introduceres induktorer fra TDK, som er specielt designet til denne anvendelse, og det vises, hvordan deres unikke egenskaber kan være med til at sikre et robust og sikkert bildesign.

Autonome køresystemer

En typisk ADAS/ADS bruger en specialiseret processor med interface til flere sensorer for at træffe de hurtige beslutninger, der er nødvendige for autonom kørsel (figur 1).

Figur 1: Processoren i en ADAS/ADS har brug for pålidelig lavspændingsstrøm ved høje strømniveauer, som leveres af en PMIC for at kunne styre køretøjet baseret på sensorinput. (Billedkilde: EPCOS-TDK)

Strømskinnespændingen for disse processorer er generelt lav, omkring 1 volt, men strømniveauerne kan være i et tocifrede ampereområde, hvilket belaster PMIC'en. Den sekundære konverter i figur 1 bruger otte effektinduktorer sammen med PMIC'en til at levere strøm til processoren.

Effektinduktorer er passive enheder, der lagrer energi i deres elektromagnetiske felter, og de bruges i vid udstrækning i strømforsyningskredsløb og DC/DC-konvertere. Når de bruges sammen med PMIC'en som step-down eller buck-konvertere, er effektinduktorerne nøglekomponenter, der påvirker effektkonverteringsprocessens ydeevne (figur 2).

Figur 2: Et forenklet skema over en enkelt buck-konverter fremhæver effektinduktorens rolle. (Billedkilde: EPCOS-TDK)

En buck-konverter producerer en lavere udgangsspænding end indgangsspændingen. I en buck-konverter er en kontakt placeret i serie med indgangsspændingskilden (V_IN). Inputkilden føder outputtet gennem kontakten og et lavpasfilter. Filteret er implementeret med en effektinduktor og en udgangskondensator. I en stabil driftstilstand, hvor kontakten er tændt i en periode på T_ON, driver indgangen udgangen såvel som effektinduktoren. I denne T_ON periode tilføres forskellen i spændingsniveauer mellem V_IN og udgangsspændingen (V_OUT) til induktoren i fremadgående retning, som vist med "tænd"-pilen. Induktorstrømmen (I_L) stiger lineært til I_peak.

Når kontakten er slukket (T_OFF), fortsætter induktorstrømmen med at flyde i samme retning på grund af den lagrede energi fra induktoren, der fortsætter med at levere strøm til belastningen gennem kommuteringsdioden, som illustreret med pilen "sluk". I denne T_OFF periode får induktoren tilført udgangsspændingen V_OUT i den modsatte retning, og induktorstrømmen falder fra I_peak værdien. Dette resulterer i en trekantet rippelstrøm. Størrelsen af rippelstrømmen er relateret til effektinduktorens induktans. Induktansens værdi indstilles normalt til at give en rippelstrøm på 20-30 % af den nominelle udgangsstrøm. Udgangsspændingen vil være proportional med kontaktens arbejdscyklus.

Hvis belastningen øges pludseligt, vil der ske et fald i udgangsspændingen, hvilket resulterer i en unormalt stor spidsstrøm gennem effektinduktoren i løbet af kort tid for at oplade udgangskondensatoren. Værdien af effektinduktoren påvirker omformerens transiente respons: Små induktorværdier fremskynder gendannelsestiden, og større værdier øger gendannelsestiden.

I køretøjsmiljøet skal disse induktorer opfylde meget høje elektriske og mekaniske standarder. Den vigtigste af disse er høj pålidelighed. Pålideligheden og kvaliteten af passive komponenter, der er beregnet til brug i køretøjer, er kvalificeret i henhold til standarder, der er opstillet af Automotive Electronics Council (AEC). Passive komponenter er kvalificeret i henhold til AEC-Q200, den globale standard for stressudholdenhed, som alle passive elektroniske komponenter skal opfylde, hvis de er beregnet til brug i bilindustrien. Testene omfatter modstandsdygtighed over for stød, vibrationer, fugtighed, opløsningsmidler, loddevarme, kortfleksibilitet og elektrostatisk afladning (ESD). Testene omfatter også temperaturtest fra -40 °C til +125 °C, med eksponering for ekstreme temperaturer og termiske cyklusser.

Til bilapplikationer skal induktorer have kompakte dimensioner og kunne fungere i det forventede temperaturområde for biler. Sidstnævnte evne kræver lav seriemodstand for at minimere effekttab og temperaturstigning. Induktorerne skal også kunne fungere ved effektomkoblingsfrekvenser i området 2 til 10 MHz, som typisk bruges af PMIC'er, og de skal også kunne håndtere høje transiente belastninger med mulighed for høje mætningsstrømme.

Effektinduktorer designet til bilindustrien

Effektinduktorerne i CLT32-serien fra EPCOS-TDK er designet til ADAS/ADS-applikationer og har høj pålidelighed, høje strømværdier, lav seriemodstand, høje mætningsstrømme og lille størrelse (figur 3).

Figur 3: TDK CLT32-seriens effektinduktorer har en spole/terminal-struktur i ét stykke, der bruger en tyk kobbervikling uden interne forbindelser. Det magnetiske støbemateriale sikrer en blød mætningskarakteristik. (Billedkilde: EPCOS-TDK)

CLT32 effektinduktorer er bygget op omkring en tyk kobberspole i ét stykke med en integreret terminalstruktur. Det betyder, at der ikke er nogen interne forbindelser, der kan forårsage upålidelig drift. Den tykke kobberspole holder også seriemodstanden så lav som 0,39 milliohm (mΩ) for at minimere strømtabet. Den lavere modstand resulterer også i lavere varmeudvikling under belastning.

Spolen er overstøbt med en nyudviklet ferromagnetisk plastblanding, som udgør både spolens kerne og ydre hus. Kernematerialet har fremragende elektriske egenskaber, selv ved høje temperaturer og i højfrekvente applikationer. Særligt bemærkelsesværdigt er det lave kernetab. Materialets evne til at blive behandlet ved lavt tryk og lav temperatur minimerer også belastningen på spolen under produktionen.

Kernematerialet giver en blød mætningskarakteristik sammenlignet med alternative ferritmaterialer. Ændringen i induktans som følge af magnetisk mætning udtrykkes som mætningsdrift, målt som den procentvise ændring i induktans (figur 4).

Figur 4: Som reaktion på magnetisk mætning udviser CLT32-kernen lav mætningsdrift, hvilket giver en blød respons. (Billedkilde: EPCOS-TDK)

CLT32-kernematerialet giver en mærkbart lavere ændring i induktansværdien på grund af mætning, især ved højere temperaturer. De tilbyder maksimale mætningsstrømme på helt op til 60 A.

Hele induktoren passer i en lavprofilpakke, der måler 3,2 x 2,5 x 2,5 millimeter (mm). Den høje volumetriske effektivitet betyder, at man kan bruge flere induktorer uden at skulle flytte designet til et større printkort. Spolerne er klassificeret til at fungere i et temperaturområde fra -40 °C til +165 °C. Dette temperaturområde overskrider kravene til den maksimale AEC-Q200-testtemperatur på 125 °C, som er nævnt ovenfor.

TDK CLT32 effektinduktorer fås med induktansværdier fra 17 til 440 nanohenry (nH), som vist i tabel 1.

Tabel 1: Her vises de specificerede egenskaber for TDK CLT32 effektinduktorer og deres tilsvarende bestillingskode. Alle passer ind i den samme 3,2 x 2,5 x 2,5 x 2,5 mm lavprofilpakke. (Kilde til tabel: EPCOS-TDK)

Med henvisning til tabellen er R_DC induktorens seriemodstand. Bemærk, at den skalerer med induktansværdien på grund af det større antal vindinger, der kræves for højere induktans. I_SAT er mætningsstrømmen baseret på reduktionen af induktansværdien på grund af mætning, som skalerer omvendt med induktansen. I_temp er den maksimale nominelle strøm, baseret på temperaturstigningen i pakken. I_temp skalerer også omvendt med induktansværdien.

Tabene i en effektinduktor omfatter jævnstrømstab, der er proportionale med spolens seriemodstand. Der er også AC-tab på grund af skin-effekten, hysteresetab og hvirvelstrømstab. Vekselstrømstabene ved hvirvelstrøm er relateret til kernematerialet.

Sammenlignet med alternative teknologier, såsom tyndfilm- eller metalkompositinduktorer, viser CLT32-induktorerne et lavere effekttab ved rippelstrøm (figur 5).

Figur 5: CLT32 effektinduktorer har lavere effekttab ved rippelstrøm end tyndfilm- eller metalkompositinduktorteknologier. (Billedkilde: EPCOS-TDK)

Lave AC-rippeltab betyder, at højere rippelstrømme kan tolereres, hvilket giver mulighed for lavere kapacitansværdier i DC/DC-konvertere.

Lavere tab betyder også højere effektivitet sammenlignet med andre induktortyper (figur 6).

Figur 6: Ydelsessammenligning af effektinduktorer i en buck-konverter med enkeltudgang viser CLT32-effektinduktorernes højere effektivitet. (Billedkilde: EPCOS-TDK)

Under lette belastninger dominerer kernetabene effektinduktorens effektivitet. Højere belastning reducerer effektiviteten på grund af resistive tab. I alle tilfælde er CLT32 effektinduktorer bedre end de alternative teknologier.

Konklusion

De innovative designkoncepter, der er indarbejdet i TDK CLT32-seriens effektinduktorer, giver mindre størrelser og bedre elektrisk ydeevne end konkurrerende teknologier, samtidig med at de sikrer højere pålidelighed. Deres store temperaturområde og brede frekvensområde gør dem til ideelle komponenter til brug i næste generations ADAS/ADS-design.