Zajištění bezpečnosti vozidel pomocí vysoce spolehlivých tlumivek

Pokročilé asistenční systémy pro řidiče („advanced driver assistance system“, ADAS) a automatizované systémy řízení („automated driving system“, ADS) jsou systémy autonomního řízení vozidel, které jsou kritické z hlediska bezpečnosti a obsahují jeden nebo více pokročilých procesorů, které dělají zásadní rozhodnutí na základě vstupů z více senzorů. Tyto procesory obvykle pracují s různými úrovněmi nízkého napětí, ale mohou odebírat proud v řádu dvouciferných ampérů.

K napájení procesorů více napětími se používají integrované obvody řízení napájení („power management integrated circuit“, PMIC), ale ty vyžadují vysoce spolehlivé tlumivky, aby bylo zajištěno stabilní napájení. Tyto tlumivky musí být schopny zvládnout velké proudy s nízkými ztrátami výkonu při spínacích frekvencích výkonu až 10 MHz. Tlumivky musí být také objemově účinné s malým půdorysem na desce plošných spojů a musí mít nízký profil. Stejně jako všechny ostatní součástky v systémech autonomního řízení musí splňovat přísné normy spolehlivosti a bezpečnosti požadované v automobilovém průmyslu, jako je norma AEC-Q200.

V tomto článku jsou stručně popsány požadavky na zpracování pro systémy ADAS/ADS. Poté jsou zde představeny tlumivky od společnosti TDK, které byly pro tuto aplikaci speciálně navrženy, a je zde ukázáno, jak mohou jejich jedinečné vlastnosti pomoci zajistit robustní a bezpečné provedení vozidel.

Systémy autonomního řízení

K přijímání rychlých rozhodnutí nezbytných pro autonomní řízení využívá typický systém ADAS/ADS specializovaný procesor propojený s více senzory (obrázek 1).

Obrázek 1: Procesor v systému ADAS/ADS potřebuje spolehlivé nízkonapěťové napájení s vysokými úrovněmi proudu, které dodává obvod PMIC, aby mohl řídit vozidlo na základě vstupů ze senzorů. (Zdroj obrázku: společnost EPCOS-TDK)

Napětí napájecího rozvodu je pro tyto procesory obecně nízké, zhruba 1 volt, ale úrovně proudu se mohou pohybovat v desítkách ampérů, což obvod PMIC zatěžuje. Sekundární převodník na obrázku 1 využívá k napájení procesoru osm výkonových tlumivek s obvodem PMIC.

Výkonové tlumivky jsou pasivní zařízení, která ukládají energii ve svých elektromagnetických polích a jsou široce využívána v napájecích obvodech a DC/DC převodnících. Výkonové induktory, které se používají s obvody PMIC jako snižovací nebo buck převodníky, jsou klíčovými součástkami, které ovlivňují výkon procesu přeměny výkonu (obrázek 2).

Obrázek 2: Zjednodušené schéma jednoho buck převodníku zdůrazňuje roli výkonové tlumivky. (Zdroj obrázku: společnost EPCOS-TDK)

Buck převodník vytváří nižší výstupní napětí, než je vstupní napětí. V buck převodníku je spínač umístěn v sérii se zdrojem vstupního napětí (V_IN). Vstupní zdroj napájí výstup přes spínač a dolní propust. Filtr je realizován s výkonovou tlumivkou a výstupním kondenzátorem. V ustáleném stavu, když je spínač zapnutý po dobu T_ON, vstup řídí výstup stejně jako výkonovou tlumivku. Během této doby T_ON se rozdíl v úrovních napětí mezi V_IN a výstupním napětím (V_OUT) přivádí na tlumivku v dopředném směru, jak ukazuje šipka „Switch ON“ („zapnout“). Proud tlumivky (I_L) stoupá lineárně k hodnotě I_peak.

Když je spínač vypnutý (T_OFF), proud tlumivky nadále protéká stejným směrem kvůli akumulované energii z tlumivky, která nadále dodává proud do zátěže přes komutační diodu, jak je znázorněno šipkou „Switch OFF“ („vypnout“). Během této doby T_OFF je na tlumivku přiváděno výstupní napětí V_OUT v opačném směru a proud tlumivky klesá z hodnoty I_peak. Výsledkem je trojúhelníkový zvlněný proud. Velikost zvlněného proudu souvisí s indukčností výkonové tlumivky. Hodnota indukčnosti je obecně nastavena tak, aby výsledkem byl zvlněný proud o velikosti 20–30 % jmenovitého výstupního proudu. Výstupní napětí bude úměrné pracovnímu cyklu spínače.

Pokud dojde k náhlému zvýšení zátěže, dojde k poklesu výstupního napětí, což má za následek abnormálně velký špičkový proud přes výkonovou tlumivku během krátké doby, aby se nabil výstupní kondenzátor. Hodnota výkonové tlumivky ovlivňuje přechodovou odezvu převodníku: Malé hodnoty tlumivky zrychlují dobu zotavení a větší hodnoty dobu zotavení prodlužují.

V prostředí vozidla musí tyto tlumivky splňovat velmi vysoké elektrické a mechanické normy. Především se jedná o vysokou spolehlivost. Spolehlivost a kvalita pasivních součástek určených pro provoz ve vozidlech je kvalifikována podle norem stanovených Radou pro elektroniku v automobilech („Automotive Electronics Council“, AEC). Pasivní součástky jsou kvalifikovány podle normy AEC-Q200, globálního standardu pro odolnost vůči namáhání, který musí splňovat všechny pasivní elektronické součástky, pokud jsou určeny pro použití v automobilovém průmyslu. Testy zahrnují odolnost proti nárazům, vibracím, vlhkosti, rozpouštědlům, teplu při pájení, ohybu desky a elektrostatickému výboji („electrostatic discharge“, ESD). Testy také zahrnují testování teploty od −40 °C do +125 °C s vystavením teplotním extrémům a teplotním cyklům.

Pro automobilové aplikace musí mít tlumivky kompaktní rozměry a musí být schopny pracovat v očekávaném teplotním rozsahu pro vozidla. Druhá možnost vyžaduje nízký sériový odpor, aby se minimalizovaly ztráty výkonu a nárůst teploty. Tlumivky by také měly být schopny pracovat při výkonových spínacích frekvencích v rozsahu 2 až 10 MHz, které jsou typicky používány obvody PMIC, a také by měly být schopny zvládnout vysoké přechodové zatížení s možností vysokých saturačních proudů.

Výkonové tlumivky určené pro automobilový průmysl

Výkonové tlumivky řady CLT32 společnosti EPCOS-TDK jsou určeny pro aplikace ADAS/ADS a vyznačují se vysokou spolehlivostí, vysokými jmenovitými proudy, nízkým sériovým odporem, vysokými saturačními proudy a malými rozměry (obrázek 3).

Obrázek 3: Výkonové tlumivky řady CLT32 společnosti TDK se vyznačují jednodílnou konstrukcí cívky/svorky, která využívá silné měděné vinutí bez vnitřních spojů. Materiál magnetického výlisku zajišťuje jemnou saturační charakteristiku. (Zdroj obrázku: společnost EPCOS-TDK)

Výkonové tlumivky CLT32 jsou tvořeny jednodílnou tlustou měděnou cívkou s integrální strukturou svorek. To znamená, že neexistují žádná vnitřní spojení, která by způsobovala nespolehlivé fungování. Silná měděná cívka také udržuje sériový odpor na hodnotě pouhých 0,39 mΩ, aby se minimalizovaly ztráty energie. Nižší odpor má také za následek nižší generované teplo při zátěži.

Cívka je přelisována nově vyvinutou feromagnetickou plastovou směsí, která tvoří jádro i vnější pouzdro cívky. Materiál jádra má vynikající elektrické vlastnosti i při vysokých teplotách a ve vysokofrekvenčních aplikacích. Za zvláštní zmínku stojí nízké ztráty jádra. Také schopnost materiálu být zpracováván při nízkém tlaku a nízké teplotě minimalizuje namáhání cívky během výroby.

Materiál jádra poskytuje jemnou saturační charakteristiku ve srovnání s alternativními feritovými materiály. Změna indukčnosti v důsledku magnetické saturace je vyjádřena jako drift saturace, měřený jako procentuální změna indukčnosti (obrázek 4).

Obrázek 4: V reakci na magnetickou saturaci vykazuje jádro tlumivky CLT32 nízký drift saturace, což poskytuje jemnou odezvu. (Zdroj obrázku: společnost EPCOS-TDK)

Materiál jádra tlumivky CLT32 poskytuje znatelně nižší změnu hodnoty indukčnosti v důsledku saturace, zejména při vyšších teplotách. Tlumivky nabízejí maximální saturační proudy až 60 A.

Celá tlumivka se vejde do nízkoprofilového pouzdra o rozměrech 3,2 × 2,5 × 2,5 mm. Tato vysoká objemová účinnost znamená, že lze použít více tlumivek, aniž by se musela konstrukce přesouvat na větší desku plošných spojů. Tlumivky jsou určeny pro provoz v teplotním rozsahu −40 °C až +165 °C. Tento teplotní rozsah překračuje požadavky na maximální zkušební teplotu dle normy AEC-Q200 125 °C, jak je uvedeno výše.

Výkonové tlumivky CLT32 společnosti TDK jsou dostupné v hodnotách indukčnosti od 17 do 440 nH, jak je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1: Specifikované charakteristiky výkonových tlumivek CLT32 společnosti TDK a jejich odpovídající objednací kód. Všechny se vejdou do stejného nízkoprofilového pouzdra 3,2 × 2,5 × 2,5 × 2,5 mm. (Zdroj tabulky: společnost EPCOS-TDK)

S odkazem na tabulku je R_DC sériový odpor tlumivky. Všimněte si, že se mění s hodnotou indukčnosti kvůli většímu počtu závitů potřebných pro vyšší indukčnost. I_SAT je saturační proud založený na snížení hodnoty indukčnosti v důsledku saturace, která se mění v nepřímé úměře s indukčností. I_temp je maximální jmenovitý proud, založený na zvýšení teploty v pouzdře. I_temp se také mění v nepřímé úměře s hodnotou indukčnosti.

Ztráty ve výkonové tlumivce zahrnují ztráty stejnosměrného proudu úměrné sériovému odporu cívky. Dochází také ke ztrátám střídavého proudu v důsledku povrchového jevu, ztráty hystereze a ztráty vířivými proudy. Ztráty střídavými vířivými proudy souvisí s materiálem jádra.

Ve srovnání s alternativními technologiemi, jako jsou tlumivky tenkých vrstev nebo kovové kompozitní tlumivky, vykazují tlumivky CLT32 nižší výkonové ztráty zvlněným proudem (obrázek 5).

Obrázek 5: Výkonové tlumivky CLT32 mají nižší výkonovou ztrátu zvlněným proudem než technologie tenkých vrstev nebo kovových kompozitních tlumivek. (Zdroj obrázku: společnost EPCOS-TDK)

Nízké ztráty zvlněním střídavého proudu znamenají, že lze tolerovat vyšší zvlněné proudy, což umožňuje nižší hodnoty kapacity v DC/DC převodnících.

Nižší ztráty se také promítají do vyšší účinnosti ve srovnání s jinými typy tlumivek (obrázek 6).

Obrázek 6: Porovnání výkonu výkonových tlumivek v jednovýstupovém buck převodníku ukazuje vyšší účinnost výkonových tlumivek CLT32. (Zdroj obrázku: společnost EPCOS-TDK)

Při malé zátěži převažují v účinnosti výkonové tlumivky ztráty jádra. Vyšší zatížení snižuje účinnost v důsledku odporových ztrát. Ve všech případech jsou výkonové tlumivky CLT32 lepší než alternativní technologie.

Závěr

Inovativní koncepty provedení začleněné do výkonových tlumivek řady CLT32 společnosti TDK nabízejí menší velikosti a lepší elektrický výkon než konkurenční technologie a zajišťují zároveň vyšší spolehlivost. Jejich široký teplotní rozsah a rozsáhlý frekvenční rozsah z nich činí ideální součástky pro použití v konstrukcích systémů ADAS/ADS nové generace.