Zapewnienie bezpieczeństwa w motoryzacji za pomocą cewek indukcyjnych o wysokiej niezawodności

Zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS) i systemy prowadzenia zautomatyzowanego (ADS) to autonomiczne systemy jazdy o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa. Zawierają one jeden lub kilka zaawansowanych procesorów do podejmowania krytycznych decyzji w oparciu o dane wejściowe z wielu czujników. Procesory takie zazwyczaj działają przy różnych poziomach niskiego napięcia, ale mogą pobierać prądy o natężeniu rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu amperów (A).

Do dostarczania wielu napięć do procesorów wykorzystywane są układy scalone zarządzania zasilaniem (PMIC), jednak w celu zapewnienia stabilnego zasilania, wymagają one niezawodnych cewek indukcyjnych. Cewki te muszą obsługiwać duże prądy przy niskich stratach mocy i częstotliwości przełączania mocy do 10MHz. Cewki indukcyjne muszą również posiadać dobrą sprawność wolumetryczną, zajmować mało miejsca na płytce drukowanej i mieć niski profil. Podobnie jak wszystkie komponenty w systemach prowadzenia autonomicznego, muszą one spełniać rygorystyczne normy niezawodności i bezpieczeństwa wymagane przez przemysł motoryzacyjny, np. AEC-Q200.

W niniejszym artykule pokrótce opisano wymagania w zakresie przetwarzania narzucane systemom ADAS/ADS. W dalszej części przedstawiono cewki indukcyjne firmy TDK, które zostały zaprojektowane specjalnie do tego zastosowania i pokazano, w jaki sposób ich unikalne właściwości mogą pomóc w zapewnieniu solidnego i bezpiecznego projektu z branży motoryzacyjnej.

Systemy prowadzenia autonomicznego

Typowy zaawansowany system wspomagania kierowcy lub system prowadzenia zautomatyzowanego (ADAS/ADS) wykorzystuje wyspecjalizowany procesor połączony z wieloma czujnikami w celu podejmowania szybkich decyzji niezbędnych do autonomicznej jazdy (ilustracja 1).

Ilustracja 1: procesor w zaawansowanym systemie wspomagania kierowcy i systemie prowadzenia zautomatyzowanego (ADAS)/ADS) do sterowania pojazdem w oparciu o dane wejściowe z czujników potrzebuje niezawodnego zasilania niskim napięciem przy wysokich natężeniach prądu dostarczanego przez układ scalony zarządzania zasilaniem (PMIC). (Źródło ilustracji: EPCOS-TDK)

Napięcie szyny zasilającej dla tych procesorów jest zwykle niskie, około 1V, ale natężenia prądu mogą wynosić dziesiątki amperów, co obciąża układ scalony zarządzania zasilaniem (PMIC). Wtórna przetwornica z ilustracji 1 do zasilania procesora wykorzystuje osiem cewek indukcyjnych mocy z układem scalonym zarządzania zasilaniem (PMIC).

Cewki indukcyjne mocy to pasywne urządzenia, które magazynują energię w polach elektromagnetycznych i są szeroko stosowane w obwodach zasilania i przetwornicach prądu stałego. Używane wraz z układami scalonymi zarządzania zasilaniem (PMIC) stosowanymi w charakterze przetwornic obniżających, cewki indukcyjne mocy są kluczowymi komponentami, które wpływają na parametry procesu konwersji mocy (ilustracja 2).

Ilustracja 2: uproszczony schemat pojedynczej przetwornicy obniżającej ukazuje rolę cewki indukcyjnej. (Źródło ilustracji: EPCOS-TDK)

Napięcie wyjściowe przetwornicy obniżającej jest niższe od napięcia wejściowego. W przetwornicy obniżającej przełącznik jest umieszczony szeregowo w stosunku do źródła napięcia wejściowego (V_IN). Źródło wejściowe zasila wyjście przez przełącznik i filtr dolnoprzepustowy. Filtr jest zrealizowany za pomocą cewki indukcyjnej i kondensatora wyjściowego. W stanie ustalonym pracy, gdy przełącznik jest włączony przez okres T_ON, wejście steruje wyjściem, a także cewką indukcyjną mocy. Podczas okresu T_ON różnica poziomów napięcia między V_IN a napięciem wyjściowym (V_OUT) odkłada się na cewce indukcyjnej w kierunku do przodu, zgodnym ze strzałką włączania. Prąd cewki indukcyjnej (I_L) wzrasta liniowo do wartości I_peak.

Gdy przełącznik jest wyłączony (T_OFF), prąd cewki indukcyjnej nadal płynie w tym samym kierunku ze względu na energię zmagazynowaną w cewce indukcyjnej, która nadal dostarcza prąd do odbiornika przez diodę komutacyjną, co ilustruje strzałka wyłączania. Podczas okresu T_OFF do cewki indukcyjnej przyłożone jest napięcie wyjściowe V_OUT w odwrotnym kierunku, przy czym prąd cewki indukcyjnej spada z wartości I_peak. Skutkuje to trójkątnymi prądami tętniącymi. Wielkość prądów tętniących jest związana z indukcyjnością cewki mocy. Wartość indukcyjności jest zwykle ustalana tak, aby prądy tętniące wynosiły 20-30% znamionowego prądu wyjściowego. Napięcie wyjściowe będzie proporcjonalne do cyklu roboczego przełącznika.

Jeśli obciążenie nagle wzrośnie, nastąpi spadek napięcia wyjściowego, co spowoduje nienormalnie duży prąd szczytowy w cewce indukcyjnej w krótkim czasie w celu naładowania kondensatora wyjściowego. Wartość cewki indukcyjnej wpływa na odpowiedź impulsową przetwornicy: małe wartości cewki indukcyjnej skracają czas regeneracji, a większe wartości - wydłużają.

W środowisku pojazdu omawiane cewki muszą spełniać bardzo rygorystyczne normy elektryczne i mechaniczne. Najważniejszą z nich jest wysoka niezawodność. Niezawodność i jakość komponentów pasywnych przeznaczonych do pracy w pojazdach podlegają kwalifikacji zgodnie ze standardami ustanowionymi przez Automotive Electronics Council (AEC). Komponenty pasywne podlegają kwalifikacji zgodnie z AEC-Q200, czyli globalną normą wytrzymałości na naprężenia, którą muszą spełniać wszystkie elektroniczne komponenty pasywne, jeśli są przeznaczone do użytku w przemyśle motoryzacyjnym. Przeprowadzane testy sprawdzają odporność na wstrząsy, drgania, wilgoć, rozpuszczalniki, ciepło lutowania, zginanie płytki i wyładowania elektrostatyczne (ESD). Przeprowadzane są również próby temperaturowe w przedziale od -40°C do +125°C, z ekspozycją na skrajne temperatury i cykle termiczne.

W zastosowaniach motoryzacyjnych cewki indukcyjne muszą mieć kompaktowe wymiary i być w stanie pracować w oczekiwanym zakresie temperatur. Ta ostatnia właściwość wymaga niskiej rezystancji szeregowej, aby zminimalizować straty mocy i zminimalizować wzrost temperatury. Cewki indukcyjne powinny również pracować przy częstotliwościach przełączania mocy w zakresie od 2 do 10MHz, które są zwykle używane przez układy scalone zarządzania zasilaniem (PMIC), a także być w stanie obsługiwać wysokie obciążenia w stanach nieustalonych z możliwością wystąpienia wysokich prądów nasycenia.

Cewki indukcyjne mocy zaprojektowane dla branży motoryzacyjnej

Cewki indukcyjne mocy z serii CLT32 firmy EPCOS-TDK zostały zaprojektowane do stosowania w zaawansowanych systemach wspomagania kierowcy oraz systemach prowadzenia zautomatyzowanego (ADAS/ADS) i charakteryzują się wysoką niezawodnością, wysokimi wartościami znamionowymi prądu, niską rezystancją szeregową, wysokimi prądami nasycenia i niewielkimi rozmiarami (ilustracja 3).

Ilustracja 3: cewki indukcyjne mocy z serii CLT32 firmy TDK mają jednoczęściową konstrukcję zwojów i zacisków, w której wykorzystano grube miedziane uzwojenie bez wewnętrznych połączeń. Magnetyczny materiał do formowania zapewnia łagodną charakterystykę nasycenia. (Źródło ilustracji: EPCOS-TDK)

Cewki indukcyjne mocy CLT32 są zbudowane jako jednoczęściowa konstrukcja wykonana z grubego uzwojenia miedzianego ze zintegrowanymi zaciskami. Oznacza to, że nie ma żadnych wewnętrznych połączeń, które mogłyby powodować ich zawodność. Grube miedziane uzwojenie zapewnia również rezystancję szeregową na poziomie zaledwie 0,39mΩ, aby zminimalizować straty mocy. Niższa rezystancja przekłada się również na mniejszą ilość generowanego ciepła pod obciążeniem.

Zwój jest oblany nowo opracowanym ferromagnetycznym tworzywem, które tworzy zarówno rdzeń cewki, jak i obudowę zewnętrzną. Materiał rdzenia ma doskonałe właściwości elektryczne, nawet w wysokich temperaturach i w zastosowaniach wysokiej częstotliwości. Na szczególną uwagę zasługują niskie straty w rdzeniu. Ponadto możliwość obróbki tego materiału pod niskim ciśnieniem i w niskiej temperaturze minimalizuje naprężenia uzwojenia podczas produkcji.

Materiał rdzenia zapewnia łagodną charakterystykę nasycenia w porównaniu ze stanowiącymi alternatywę materiałami ferrytowymi. Zmiana indukcyjności w wyniku nasycenia magnetycznego jest wyrażana jako dryft nasycenia, mierzony jako procentowa zmiana indukcyjności (ilustracja 4).

Ilustracja 4: w odpowiedzi na zjawisko nasycenia magnetycznego opracowano rdzeń CLT32 z niskim dryftem nasycenia, zapewniając płynną reakcję. (Źródło ilustracji: EPCOS-TDK)

Materiał rdzenia CLT32 zapewnia zauważalnie niższą zmianę wartości indukcyjności z powodu nasycenia, szczególnie w wyższych temperaturach. Oferuje maksymalny prąd nasycenia sięgający 60A.

Cała cewka mieści się w niskoprofilowej obudowie o wymiarach 3,2 na 2,5 na 2,5mm. Tak wysoka sprawność wolumetryczna oznacza możliwość zastosowania wielu cewek indukcyjnych bez konieczności przenoszenia projektu na większą płytkę drukowaną. Znamionowy zakres temperatur pracy opisywanych cewek indukcyjnych wynosi od -40°C do +165°C. Przewyższa on wspomniane powyżej wymagania dotyczące maksymalnej temperatury dla prób, wynoszącej 125°C wg normy AEC-Q200.

Tabela 1 ukazuje cewki indukcyjne mocy CLT32 firmy TDK dostępne w wersjach o indukcyjności od 17 do 440nH.

Tabela 1: przedstawiono specyfikację cewek indukcyjnych mocy CLT32 firmy TDK oraz odpowiadające im kody zamawiania. Wszystkie mieszczą się w tej samej niskoprofilowej obudowie o wymiarach 3,2 na 2,5 na 2,5 na 2,5mm. (Źródło tabeli: EPCOS-TDK)

Odnosząc się do tabeli, R_DC jest rezystancją szeregową cewki indukcyjnej. Należy zauważyć, że ulega ona zwiększeniu wraz ze wzrostem wartości indukcyjności ze względu na fakt, iż wyższa indukcyjność wymaga większej liczby zwojów. I_SAT to prąd nasycenia zależny od spadku wartości indukcyjności z powodu nasycenia, który z kolei maleje wraz ze wzrostem indukcyjności. I_temp to maksymalny prąd znamionowy zależny od wzrostu temperatury w obudowie. I_temp również maleje wraz ze wzrostem indukcyjności.

Straty w cewce indukcyjnej to m.in. straty prądu stałego proporcjonalne do rezystancji szeregowej cewki. Istnieją również straty prądu zmiennego wynikające z efektu naskórkowości, strat histerezowych i prądów wirowych. Straty prądu zmiennego wynikające ze strat prądów wirowych są związane z materiałem rdzenia.

W porównaniu z alternatywnymi technologiami, takimi jak cewki cienkowarstwowe lub wykonane z metali kompozytowych, cewki CLT32 wykazują niższe straty mocy z powodu prądów tętniących (ilustracja 5).

Ilustracja 5: cewki indukcyjne mocy CLT32 charakteryzują się niższymi stratami mocy spowodowanymi prądami tętniącymi niż cewki cienkowarstwowe lub cewki z metali kompozytowych. (Źródło ilustracji: EPCOS-TDK)

Niskie straty prądu zmiennego wynikające z prądów tętniących oznaczają tolerancję na wyższe prądy tętniące, co skutkuje niższymi wartościami pojemności w przetwornicach prądu stałego.

Niższe straty przekładają się również na wyższą sprawność w porównaniu do innych typów cewek indukcyjnych (ilustracja 6).

Ilustracja 6: porównanie parametrów działania cewek indukcyjnych mocy w jednowyjściowej przetwornicy obniżającej pokazuje wyższą sprawność cewek indukcyjnych mocy CLT32. (Źródło ilustracji: EPCOS-TDK)

Przy niewielkich obciążeniach głównym czynnikiem obniżającym sprawność cewki indukcyjnej są straty w rdzeniu. Przy wyższych obciążeniach redukcja sprawności wynika ze strat rezystancyjnych. We wszystkich przypadkach cewki indukcyjne mocy CLT32 sprawdzają się lepiej od konkurencyjnych technologii.

Podsumowanie

Innowacyjne koncepcje projektowe zastosowane w cewkach indukcyjnych mocy z serii CLT32 firmy TDK zapewniają mniejsze rozmiary i lepsze parametry elektryczne niż konkurencyjne technologie, zapewniając jednocześnie wyższą niezawodność. Szerokie zakresy temperatur i częstotliwości sprawiają, że są to idealne komponenty do zastosowania w projektach nowej generacji systemów wspomagania kierowcy i systemów prowadzenia zautomatyzowanego (ADAS/ADS).