М. Ленц (перевод А. Биленко)
Эволюция и революция интеллектуальной силовой электроники
Быстрый прогресс электроники и её стремительное проникновение почти во все области нашей жизни особенно заметны на примере автомобиля. В настоящее время в автоэлектронике происходит эволюция подходов к различным проблемам, что даёт основание надеяться на рождение революционных инженерных решений уже в самое ближайшее время.
Изменение оборудования современного автомобиля можно представить в виде многих маленьких, быстро следующих друг за другом шагов, причём в большинстве случаев это не грозит автомобилистам чрезмерными дополнительными затратами на электронику. В последнее время она всё шире используется, например, для управления сгоранием топлива в двигателе, в устройствах контроля за состоянием отдельных агрегатов и систем, для управления исполнительными механизмами и так далее.
Сходная ситуация имеет место и в системах, обеспечивающих безопасность, например, в антиблокировочной системе тормозов (ABS), надувных подушках безопасности и в контроле за шасси. А в так называемых "Body-Covenience"-системах, с которыми человек находится в непосредственном контакте, это просто естественно, и водитель при использовании, например, навигационной системы, должен быть абсолютно уверен, что множество микропроцессоров делают своё дело как надо.
Для управления и организации взаимодействия отдельных блоков электронной начинки автомобиля необходима специальная магистраль, которой в современном автомобиле может являться сеть CAN (Controlled Area Network), обеспечивающая независимое и одновременное управление через общую шину (рис. 1).
Рисунок 1. Система общей шины в современном автомобиле
Эволюция в автомобильной электронике
В принципе, прогрессивная эволюция автомобильной электроники приветствуется всеми. Однако каждая дополнительная функция увеличивает стоимость автомобилей, чрезмерное давление которой одновременно на производителя и потребителя испытывают сегодня во всём мире.
Не является исключением и автомобильная электроника. Поэтому логически оправданным является стремление к стандартизации отдельных компонентов, а специализация устройств всё в большей степени достигается путём реконфигурации программного обеспечения.
Пути оптимальной интеграции электронных систем управления
Основой современных электронных систем управления ECU (Electronic Control Unit) (рис. 2) является, как правило, микроконтроллер с окружающими его датчиками, модулями ввода/вывода, исполнительными элементами и т.п.
Рисунок 2. Структурная схема ECU
Для достижения максимально возможной надёжности оптимально, чтобы все блоки ECU могли быть интегрированы в монолитном кристалле или, по крайней мере, представляли собой многокристальный модуль в отдельном корпусе - МСМ (Multi-Chip-Module). У фирмы Infineon, например, для этих целей разработана специальная фирменная технология SPT (Smart Power Technologies).
С помощью этой технологии можно интегрировать в монолитном кристалле элементы аналоговой обработки сигнала (биполярные транзисторы), схемы стандартной CMOS-логики, а в некоторых случаях и мощные переключающие DMOS-транзисторы. Анализ функций отдельных блоков ECU показывает, что практически все они пригодны для интеграции в чипе, за исключением контроллеров и сильноточных элементов. На сегодняшний день интеграция контроллеров не представляется рациональной, так как плотность упаковки при использовании низковольтной CMOS-технологии почти на порядок больше, чем для SPT. Этот разрыв сохранится, вероятно, и в будущем. Кроме того, в SPT используется большее число масок, чем в стандартной CMOS-технологии, что является важным аргументом в пользу уменьшения издержек.
Так называемая "U-L-I диаграмма" (рис. 3) даёт хорошую возможность классифицировать степень интеграции микросхем класса Smart-Power. Так называемые I-чипы содержат функции преобразования напряжения и ввода/вывода микроконтроллеров. Чипы типа L содержат дополнительные функции интерфейсов для датчиков или контактов, а также для управления микроконтроллерами (например, Сброс, Сброс по включению питания, Сторожевой таймер). Чипы типа U содержат практически все интегрируемые функции управления микроконтроллером, к которым, помимо уже описанных, относятся драйверы управления двигателями, лампами, реле и так далее, а также схемы управления и диагностики внешних сильноточных MOS-переключателей. Чипы типа U находят применение, прежде всего, в системах управления ABS и надувными подушками безопасности, которые должны обладать высокой степенью надёжности. Для этих целей технология SPT уже проявила себя с очень хорошей стороны.
Рисунок 3. U-L-I диаграмма разделения ECU. Максимально высокая интеграция не всегда приводит к оптимуму
Все активные и пассивные системы безопасности невозможны без сложной электроники. Но в них полная диагностика всех частей систем является обязательной, а это, в сочетании с требуемой очень высокой надёжностью, ведёт к определённой избыточности. Поэтому неудивительно, что уровень интеграции в таких ECU намного выше. На рис. 4 представлена схема электронного блока с 4 каналами управления надувными подушками безопасности (водитель, пассажир и две боковых). Чип включает все периферийные функции управления и контроля всех 4 каналов надувных подушек безопасности.
Рисунок 4. Мощная ИС включает все периферийные функции управления и контроля 4-канальной системы надувных подушек безопасности
При расчёте производственных затрат, в зависимости от ожидаемого объёма выпуска, получается, что I-чип регулятора напряжения, CAN-трансивер, управление контроллером (Window Watch-dog и Reset), а также дополнительные функции, обычно реализуемые в так называемом основном системном чипе (SBC), во многих ECU должны быть совмещены.
Разработка оптимального U-L-I0 варианта или так называемого "Application Specific Standard Products" (ASSP) является серьёзной проблемой, разрешить которую в будущем можно лишь при тесном сотрудничестве между производителями автомобилей, систем управления и собственно кристаллов.
Особые качества требуют особых мероприятий
Если ECU должен содержать модуль для управления большими нагрузками, например стеклоподъёмниками, то оптимум издержек достигается другой схемой разбиения функций.
Такой модуль, наряду с имеющимися в каждом ECU регулятором напряжения, CAN-трансивером и так далее, может содержать устройства блокировки замков дверей (Door-lock), управления стеклоподъёмниками, управляющие интерфейсы, а в передних дверях, дополнительно, полное управление наружными зеркалами.
С точки зрения современных потребностей автомобильной электроники, фирма Infineon разработала свой модуль с оптимальными издержками и оптимальным разбиением функций.
Учитывая, что в двери автомобиля места предостаточно, не рационально повышать степень интеграции этого модуля, так как польза будет весьма незначительной.
Существенным параметром для изменения распределения функций и степени интеграции является мощность рассеивания в исполнительных механизмах устройства управления автомобиля. Оптимизация такого распределения удешевляет систему теплообмена, а улучшение условий отвода тепла, в свою очередь, приводит к существенному снижению расхода бензина.
Фраза "Полупроводники вместо вентилятора" выражает стратегию отделения автоэлектроники фирмы Infineon.
Задачи управления сильноточными устройствами - стеклоподъёмниками и блокировкой дверей - решаются с использованием технологии TrilithIC. Изделия TrilithIC появились в 1996 году и базируются на использовании вертикальной Smart-MOS-Transistor-технологии и конструктива "чип за чипом".
В феврале 2001 года появилось второе поколение этих продуктов со значительно лучшими характеристиками и меньшими издержками при серийном производстве.
Для монолитных ИС преимущества TrilithIC ещё более значительны. Мостовые микросхемы семейства BTS 78ХХ с очень низкими проходным сопротивлением, пожалуй, ещё долго не будут такими же дешёвыми, как монолитные; здесь гибридные MCM с вертикальными чипами имеют явные преимущества. Особенно заметно это в мощных MOS-транзисторах, производимых по технологии OptiMOS. Здесь достигнуты большие успехи в уменьшении внутреннего сопротивления при одновременном увеличении надёжности. На рис. 5 показана величина сопротивления Opti-MOS изделий в корпусе D2-Pack (TO220) в сравнении с главными конкурентами.
Рисунок 5.Остаточное сопротивление транзисторов OptiMOS в корпусе ТО220 в сравнении с основными конкурентами (С1, С2)
Всё это необходимо учитывать при реализации даже классической схемы на базе традиционного контроллера со встроенными функциями ввода/вывода информации или аналого-цифрового преобразования.
Такая "распределённая интеллектуальность" (Smart-Par-titioning) между силовой частью кристалла и контроллером условно показана на рис. 6. Тем не менее, эволюция имеет границы. При всё возрастающей степени электрификации автомобилей потребление тока непрерывно растёт. И нужно понимать, что 12-В бортовая сеть уже в недалёком будущем не сможет удовлетворять всем требованиям.
Рисунок 6. Граница между микроконтроллером и периферийными схемами постоянно находится в движении. Оптимум "Smart-Partitioning" сдвигается в сторону высокой интеграции
Революция в автомобиле придет с фактором 3
В недалёком будущем начнётся революция в автомобилестроении.
В частности, рост требований к потреблению электроэнергии и охране окружающей среды дают чёткое обоснование необходимости повышения мощности бортовой сети.
Мощность является одним из трёх факторов в пользу использования более высокого напряжения бортовой сети, а именно 42 В. Таким образом можно будет управлять более чем в 10 раз большей мощностью при таких же значениях сопротивления электронных коммутаторов.
При этом значительно уменьшается роль электромеханических реле, в основном из-за больших токов, возникающих при коммутации контактов. Вместе с тем, определяющим фактором в пользу электронных коммутаций является стоимость. На примере моста для управления двигателем стеклоподъёмника можно продемонстрировать преимущества 42-В бортовой сети (рис. 7).
Рисунок 7. Мощность потерь уменьшается пропорционально квадрату тока; при увеличении напряжения в три раза так изменяется требуемая величина остаточного сопротивления
Внедрение 42-В технологии уже не остановит разработчиков ни перед какими субфункциями, которые потребуется реализовать с помощью электроники в автомобиле. Таким образом электроника проникнет в такие классические области чистой механики, как мотор и трансмиссия, то есть туда, где есть потребность в линейных перемещениях и вращающихся моментах. Электрический ток легко превращается в механический момент, поэтому говорят об "электрических мускулах", которые могут быть реализованы в виде самостоятельных ECU (рис. 8) и мехатронных актуаторов (механико-электронных исполнительных механизмов).
Рисунок 8. Трёхфазный двигатель с "интеллектуальным" управлением особенно хорошо подходит для мехатроники; в диапазоне мощностей до 1 кВт в автомобиле имеется множество таких применений
В частности, множественные клиноременные передачи могут быть заменены децентрализованными, существенно более эффективными электрическими приводами.
Управляемые электронными устройствами двигатели в таких агрегатах приобретают особенное значение, поскольку компактны и обладают высокой надёжностью.
В настоящее время энергия, произведённая в двигателе внутреннего сгорания с механической коробкой передач/трансмиссией, распределяется в соответствии с рис. 9 (слева).
Рисунок 9. Сравнение - сегодня и завтра: новая 42-В бортовая сеть революционизирует архитектуру современного автомобиля
Следующие варианты будут выглядеть по-иному (рис. 9, справа), обеспечивая децентрализованное распределение энергии для всех агрегатов. Это является определяющим для новой архитектуры, которая способна обеспечить не только длительную постоянную мощность для всех новых потребителей, но и пиковую импульсную мощность, равную по порядку величины мощности всего двигателя внутреннего сгорания, с помощью так называемой системы Super-Caps.
Таким образом полностью "электрифицируются" процессы запуска двигателя и все вращающие моменты рулевого управления. Распределение энергии обеспечивает один модуль управления на базе интеллектуальных силовых микросхем. Сегодня сильноточный модуль фирмы Infineon PROFETS (protected-FET) управляет токами до 1000 A и является наилучшим для подобных применений.
Такое изменение парадигмы обусловливает использование "умных" микросхем на более широком фронте.
Речь может идти о других "классических" автомобильных приложениях, близких к бытовой электронике, например, аудиотехнике. Здесь механические устройства, например, проигрыватель компакт-дисков или кассет заменяются на MPEG3-проигрыватель, зеркала - цифровой или видеокамерой, видеомагнитофон - жёстким диском или DVD. В скором времени даже вращающийся жёсткий диск вынужден будет конкурировать с оптическими носителями данных или электронной памятью больших объёмов.
Новая архитектура автомобиля содействует развитию многих новых, высокоэффективных приложений, а также снижению выбросов вредных веществ. Например, двигатель внутреннего сгорания может начинать работу только то-гда, когда число оборотов стартёра достигло определённого значения.
При оптимизированной системе впрыска топлива существенно сокращается расход бензина при городском цикле движения в так называемом режиме "Start-Stop-Drive" (мотор выключается при каждой остановке на светофоре и затем перезапускается электрически). В недалёком будущем, когда произойдёт замена всех клапанов и вентилей на электромагнитные, в бензиновых системах прямого впрыска (GDI - gasoline direct injection) или в дизельных (DDI - disel direct injection) тенденция к оптимизации расхода топлива сохранится. Механическую связь педали акселератора и клапана карбюратора или системы управления впрыском заменят существенно более надёжные электронные блоки (drive by wire). Прорабатывается даже полная электронная гидравлика для тормозных систем, а также замена механического рулевого управления электронным.
Однако, для производства такие процессы, как подключение электроники к гидравлике, пока ещё весьма дорогостоящи. Но когда это случится, динамику шасси будут отслеживать "умные" амортизаторы. Кроме того, будет совершенствоваться обычная ABS, дополняя объединённую систему стабилизации управляющим воздействием на систему управления двигателем.
Технологии "интеллектуальной" силовой электроники для автомобиля с 42-В бортсетью
Отделение автоэлектроники фирмы Infineon уже в течение 5 лет работает над созданием оптимальных решений для грядущего перехода на 42-В бортсеть, разрабатывая новые технологии производства самих кремниевых пластин и технологию корпусирования.
Так, например, заново разработан MOS-транзистор для высокопроизводительных систем отопления, который помимо повышенных требований к защите, должен обеспечивать контроль температуры в реальном времени. Эта задача решена с помощью структуры "чип на чипе", выполненной с использованием модифицированной технологии OptiMOS+.
Сегодня у фирмы имеется полная палитра технологий, ориентированная на пробивное напряжение 75 В. Разработаны специализированные технологии для силовых MOS-транзисторов, интеллектуальных переключателей (Smarte High Side и Low Side), модулей управления электрическими двигателями, DC/DC-преобразователей, коммуникационных, интерфейсных и управляющих систем. Поэтому можно с уверенностью сказать, что практически весь ряд продукции для всех систем современного автомобиля с 42-В бортсетью прошёл испытания и готов к использованию. В настоящее время уже полностью закончена разработка целого ряда DC/DC-преобразователей, которые понадобятся особенно в переходный период. Они отличаются чрезвычайно низким уровнем электромагнитных излучений.
Новая концепция - системная, её техническая база определяется теперь в тесном сотрудничестве с большинством ведущих производителей автомобилей, для чего была создана специальная международная группа. В распоряжение этой группы до конца 2001 года поступят образцы всей продукции, включая модуль ECU.
Выводы
Эволюция в автоэлектронике к более высокой интеграции полупроводников и прогрессивной системной интеграции наталкивается на всё большее количество физических границ (внутреннее сопротивление; температурная прочность контроллеров; плотность элементов и проводников и многое другое), поэтому до истинно монолитного решения ещё предстоит пройти трудный путь.
В будущем оптимальные решения будут постоянно меняться - синхронно с быстрым развитием ключевых технологий. Однако во всех случаях основополагающим моментом является - и это абсолютно неизменно - оптимизация издержек совокупной системы, что будет определять направление развития и возможность сравнения при сохранении общей надёжности систем. Революция в автоэлектронике возможна только при реализации множества дополнительных возможностей в "интеллектуальной" силовой электронике. Поэтому доля использования полупроводников в автомобиле, которая с 1998 до 2003 года увеличится до 9,8%, в период 2005–2010 гг. значительно возрастёт, и в частности, за счёт "интеллектуальной" силовой электроники.
Для скорейшего внедрения 42-В техники и использования всех преимуществ новой концепции важно тесное и эффективное сотрудничество производителей полупроводников с производителями и поставщиками автомобилей, так как их специфические ноу-хау могут быть использованы только при тесном эволюционном контакте.
«Design&Electronik», февраль 2001 г.
|
