Slik kan kjøretøysikkerhet oppnås ved å bruke induktorer med høy pålitelighet

Avanserte førerassistentsystemer (ADAS – advanced driver assistance system) og automatiserte kjøresystemer (ADS – automated driving system) er sikkerhetskritiske autonome kjøresystemer for biler, som omfatter én eller flere avanserte prosessorer som tar kritiske beslutninger basert på input fra flere sensorer. Disse prosessorene er vanligvis virksomme ved forskjellige lavspenningsnivåer, men kan trekke strøm på noen titalls ampere (A).

Integrerte kretser for strømstyring (PMIC – power management integrated circuit) brukes til å forsyne flere spenninger til prosessorene, men de krever induktorer med høy pålitelighet for å sikre stabil strøm. Disse induktorene må være i stand til å håndtere store strømmer med lave effekttap ved strømvekslingsfrekvenser på opptil 10 megahertz (MHz). Induktorene må også være volumetrisk effektive med et lite kretskortformat og lav profil. I likhet med alle de andre komponentene i autonome kjøresystemer, må disse oppfylle de strenge pålitelighets- og sikkerhetsstandardene som kreves av bilindustrien, for eksempel AEC-Q200.

Denne artikkelen beskriver kort prosesseringskravene til ADAS/ADS. Den introduserer deretter induktorer fra TDK som er spesialutviklet for dette bruksområdet, og viser hvordan de unike egenskapene kan bidra til å sikre robust og sikker konstruksjon av kjøretøy.

Autonome kjøretøysystemer

En typisk ADAS/ADS bruker en spesialisert prosessor som lar seg kombinere med flere sensorer for å ta de raske beslutningene som trengs for autonom kjøring (figur 1).

Figur 1: Prosessoren i en ADAS/ADS trenger pålitelig strøm med lav spenning ved høye strømnivåer, som forsynes av en PMIC for å kontrollere kjøretøyet basert på sensorinput. (Bildekilde: EPCOS-TDK)

Strømskinnespenningen for disse prosessorene er som regel lav, ca. 1 volt, men strømnivåene kan være noen titalls ampere, noe som er mer belastende for PMIC-en. Den sekundære omformeren i figur 1 bruker åtte strøminduktorer med PMIC-en for å forsyne strøm til prosessoren.

Strøminduktorer er passive enheter som lagrer energi i de elektromagnetiske feltene sine, og de brukes ofte i strømforsyningskretser og DC–DC-omformere. Strøminduktorene, som brukes med PMIC-en som spenningsregulatorer (buck-omformere), er viktige komponenter som påvirker ytelsen til strømomformingsprosessen (figur 2).

Figur 2: Et forenklet skjema for én enkel spenningsregulator (buck-omformer) fremhever rollen til strøminduktoren. (Bildekilde: EPCOS-TDK)

En spenningsregulator (buck-omformer) produserer en lavere utgangsspenning enn inngangsspenning. I en spenningsregulator plasseres en bryter i serie med inngangsspenningskilden (V_IN). Inngangskilden mater utgangen gjennom bryteren og et lavpassfilter. Filteret er implementert med en strøminduktor og en utgangskondensator. I stabil driftstilstand, når bryteren er på i en periode T_ON, vil inngangen drive utgangen og strøminduktoren. I løpet denne T_ON-perioden påføres forskjellen i spenningsnivåer mellom V_IN og utgangsspenningen (V_OUT) på induktoren i foroverretningen, som vist av «Switch ON»-pilen. Induktorstrømmen (I_L) stiger lineært til I_peak.

Når bryteren er av (T_OFF), fortsetter induktorstrømmen å flyte i samme retning på grunn av den lagrede energien fra induktoren som fortsetter å forsyne strøm til lasten gjennom kommuteringsdioden, som illustrert av «Switch OFF»-bryteren. I løpet av denne T_OFF-perioden påføres utgangsspenningen V_OUT over induktoren i bakoverretningen, og induktorstrømmen reduseres fra I_peak-verdien. Dette resulterer i en triangulær rippelstrøm. Størrelsen på rippelstrømmen er relatert til induktansen til strøminduktoren. Induktansverdien er vanligvis angitt slik at den resulterer i en rippelstrøm på 20–30 % av den nominelle utgangsstrømmen. Utgangsspenningen vil være proporsjonal med driftssyklusen til bryteren.

Hvis belastningen økes plutselig, vil det oppstå et fall i utgangsspenningen, noe som resulterer i en unormalt stor spenningstopp gjennom strøminduktoren over en kort tidsperiode for å lade utgangskondensatoren. Verdien til strøminduktoren påvirker transientresponsen til omformeren: Små induktorverdier gir raskere gjenvinningstid og større verdier øker gjenvinningstiden.

I kjøretøyomgivelser må disse induktorene oppfylle svært høye elektriske og mekaniske standarder. Den fremste av disse er høy pålitelighet. Påliteligheten og kvaliteten til passive komponenter som er beregnet for bruk i kjøretøy, er kvalifisert i henhold til standarder satt opp av AEC (Automotive Electronics Council). Passive komponenter er kvalifisert i henhold til AEC-Q200, den globale standarden for belastningsutholdenhet som alle passive elektroniske komponenter må oppfylle hvis de er beregnet for bruk i bilindustrien. Testene inkluderer motstandsdyktighet mot støt, vibrasjoner, fuktighet, løsemidler, loddevarme, kortbøyning og elektrostatisk utladning (ESD). Testene inkluderer også temperaturtesting fra –40 °C til +125 °C, med eksponering for ekstreme temperaturer og termisk sykling gjennomløp.

For bilutrustninger må induktorene ha kompakte dimensjoner og være i stand til å være virksomme over det forventede temperaturområdet til kjøretøyet. Sistnevnte egenskap krever lav seriemotstand for å minimere effekttap og minimere temperaturøkning. Induktorene må også være i stand til å fungere ved strømvekslingsfrekvenser på mellom 2 og 10 MHz, som vanligvis brukes av PMIC-er, og de må også være i stand til å håndtere høye transientlaster med mulighet for høy metningsstrøm.

Strøminduktorer som er utviklet for bilindustrien

Strøminduktorene i CLT32-serien fra EPCOS-TDK er utviklet for ADAS/ADS-utrustninger og har høy pålitelighet, høye strømklassifiseringer, lav seriemotstand, høye metningsstrømmer og liten størrelse (figur 3).

Figur 3: Strøminduktorene i TDK CLT32-serien har en spole-/terminalstruktur i én del, som bruker en tykk kobbervikling uten noen interne tilkoblinger. Det magnetiske støpematerialet sikrer myke metningsegenskaper. (Bildekilde: EPCOS-TDK)

CLT32-strøminduktorene er dannet rundt en tykk kobberspole i ett stykke, med en integrert terminalkonstruksjon. Dette betyr at det ikke er noen interne tilkoblinger som forårsaker upålitelig drift. Den tykke kobberspolen holder også seriemotstanden så lav som 0,39 milliohm (mΩ) for å minimere effekttap. Den lavere motstanden resulterer også i mindre generert varme under last.

Spolen er overstøpt med en nyutviklet ferromagnetisk plastblanding som danner både spolens kjerne og det ytre huset. Kjernematerialet har utmerkede elektriske egenskaper, selv ved høye temperaturer og i høyfrekvente utrustninger. De lave kjernetapene er verdt å merke seg. Materialets evne til å behandles ved lavt trykk og lav temperatur minimerer også belastningen på spolen under produksjonen.

Kjernematerialet gir myke metningsegenskaper sammenlignet med alternative ferrittmaterialer. Endringen i induktans, som er et resultat av magnetisk metning, uttrykkes som metningsdrift, og denne måles som en prosentvis endring i induktans (figur 4).

Figur 4: Som respons på magnetisk metning utviser CLT32-kjernen drift med lav metning, noe som gir myk respons. (Bildekilde: EPCOS-TDK)

CLT32-kjernematerialet gir merkbart lavere endring i induktansverdi på grunn av metning, spesielt ved høyere temperaturer. De tilbyr maksimale metningsstrømmer, som er så høye som 60 A.

Hele induktoren passer i en lavprofilkapsling som måler 3,2 x 2,5 x 2,5 millimeter (mm). Takket være denne høye volumetriske effektiviteten kan flere induktorer brukes uten at utrustningen må flyttes til et større kretskort. Induktorene er klassifisert til å fungere over et temperaturområde på mellom –40 °C og +165 °C. Dette temperaturområdet overstiger kravene til den maksimale testtemperaturen på 125 °C for AEC-Q200, som er nevnt ovenfor.

TDK CLT32-strøminduktorene er tilgjengelige med induktansverdier fra 17 til 440 nanohenry (nH), som vist i tabell 1.

Tabell 1: Her vises de spesifiserte egenskapene til TDK CLT32-strøminduktorene og deres korresponderende ordrekode. Alle passer i den samme lavprofilkapslingen på 3,2 x 2,5 x 2,5 x 2,5 mm. (Tabellkilde: EPCOS-TDK)

Med henvisning til tabellen, er R_DC seriemotstanden til induktoren. Vært oppmerksom på at den skaleres med induktansverdien på grunn av det større antallet omdreininger som kreves for høyere induktans. I_SAT er metningsstrømmen basert på reduksjonen av induktansverdien på grunn av metning, som skaleres inverst med induktansen. I_temp er den maksimale klassifiserte strømmen, basert på temperaturøkningen i kapslingen. I_temp skaleres også inverst med induktansverdien.

Tap i en strøminduktor inkluderer DC-tap som er proporsjonalt med seriemotstanden til spolen. Det er også AC-tap (AC – vekselstrøm) på grunn av skinneffekten, hysteresetap og virvelstrømstap. Virvelstrømmens AC-tap er relatert til kjernematerialet.

Sammenlignet med alternative teknologier, som tynnfilm- eller metallkomposittinduktorer, utviser CLT32-induktorene lavere rippelstrømtap (figur 5).

Figur 5: CLT32-strøminduktorene har lavere rippelstrømtap sammenlignet med tynnfilm- eller metallkomposittinduktorer. (Bildekilde: EPCOS-TDK)

Lave AC-rippeltap betyr at høyere rippelstrømmer kan tolereres, noe som muliggjør lavere kapasitansverdier i DC–DC-omformere.

Lavere tap fører også til høyere virkningsgrad sammenlignet med andre induktortyper (figur 6).

Figur 6: Ytelsessammenligning av strøminduktorer i en spenningsregulator (buck-omformer) med én enkel utgang, viser den høyere virkningsgraden til CLT32-strøminduktorene. (Bildekilde: EPCOS-TDK)

Under lette laster vil kjernetap dominere virkningsgraden til strøminduktoren. Høyere belastning reduserer virkningsgraden på grunn av resistive tap. CLT32-strøminduktorene er i alle tilfeller bedre enn de alternative teknologiene.

Konklusjon

De innovative konstruksjonskonseptene som er innlemmet i TDK-strøminduktorene i CLT32-serien, tilbyr mindre størrelser og bedre elektrisk ytelse sammenlignet med konkurrerende teknologier, samtidig som de sikrer høyere pålitelighet. Det brede temperaturområdet og det brede frekvensområdet gjør dem til ideelle komponenter for bruk i neste generasjons ADAS/ADS-konstruksjoner.