Alimentatori di antenne attive con funzionalità di diagnostica

CAR INFOTAINMENT –

Una maggiore complessità dei componenti dei sistemi di infotainment a bordo auto ha comportato un aumento del numero di sistemi di antenne attive. I circuiti di questi sistemi devono essere protetti e isolati dal difficile ambiente veicolare e necessitano di funzioni di diagnostica.

I tempi della semplice autoradio sono stati soppiantati da una nuova era di sistemi di infotainment. Ormai non dobbiamo più ruotare qualche manopola per leggere le informazioni su un display analogico nel tragitto casa-lavoro; oggi possiamo informarci e divertirci grazie ai sistemi di infotainment per auto. Anche se la radio Am/Fm esiste ancora, alcune innovazioni tra cui la diffusione audio digitale (Digital Audio Broadcasting), la televisione digitale e ad alta definizione (Hdtv), la radio satellitare, i cellulari integrati, i lettori Cd/Dvd/Mp3, i sistemi Gps e i videogiochi hanno portato alla creazione di un centro di intrattenimento completo per le automobili. E dietro le quinte i sistemi di antenne attive alimentano tutta questa abbondanza di informazioni. Una maggiore complessità dei centri di infotainment ha comportato un aumento del numero di antenne attive necessarie per trasmettere musica e dati ai centri stessi. Il passaggio dalle antenne attive a quelle passive ha consentito di passare dalle tradizionali antenne ad asta esterne di metallo ad antenne da finestra anteriori/posteriori integrate. E da qualche tempo sono anche disponibili antenne del tipo “a pinna di squalo” molto piccole, da montare sul tetto o sul baule. Una sola unità offre diverse bande e vari servizi. Ormai molti centri di infotainment per auto hanno in media da 3 a 5 sistemi di antenne attive, ad esempio Am, Fm, Dab, Hdtv, radio satellitare, informazioni sul traffico, cellulare, WiMax e Gps. Talvolta vengono utilizzate più antenne per la stessa banda per migliorare la qualità di ricezione. Ma i circuiti sensibili di questi sistemi richiedono protezione e isolamento dall'ambiente difficile in cui operano e offrono funzionalità di diagnostica per segnalare lo stato dell'antenna. La batteria per auto da 12 V, il punto iniziale di molti alimentatori di tensione per antenne attive, è ben diversa dal dispositivo stabile e tranquillo necessario per questi sistemi. Oltre che al rumore, questo “alimentatore” da 12 V può essere soggetto a condizioni di inversione di polarità della batteria o di load dump in cui la tensione può andare da -36 V a 80 V. L'alimentatore ideale per i sistemi di antenne attive deve proteggere sia se stesso che l'antenna da queste condizioni elettriche difficili, pur garantendo una tensione di uscita stabile a basso rumore. Inoltre deve proteggere i circuiti dell'antenna in caso di cortocircuito al suo interno, con un limite di corrente preciso e programmabile. Le condizioni termiche negli ambienti veicolari sono altrettanto difficili ed è necessario che l'alimentazione sia stabile entro un range di temperature comprese tra -40 e 125 °C, con una solida protezione contro il surriscaldamento. Oltre alle funzioni di protezione servono informazioni per verificare lo stato dell'antenna. Il rilevamento di circuito aperto programmabile controlla la corrente di alimentazione dell'antenna nel caso in cui scenda al di sotto di una determinata condizione operativa minima. Il rilevamento di cortocircuito programmabile controlla la corrente di alimentazione dell'antenna nel caso in cui superi un certo valore massimo e protegge l'antenna, e il relativo alimentatore, dal flusso di corrente di limitazione. Inoltre il monitoraggio della corrente analogico crea un segnale proporzionale alla corrente di alimentazione dell'antenna da usare come input diagnostico o per indicare al sistema il tipo di antenna montato. In passato questa combinazione di requisiti di protezione e funzioni diagnostiche richiedeva l'utilizzo di più circuiti integrati (amplificatori di rilevamento della corrente, amplificatori operazionali, ecc.) e componenti discreti, il che comportava una progettazione molto complessa. Ma ciò che serve veramente è un alimentatore per antenne attive e un regolatore lineare diagnostico che integri tutte queste funzioni in un'unica soluzione ad alto rendimento.

Il dispositivo LT3050
Attualmente è disponibile un nuovo regolatore con limitazione della corrente di precisione e funzioni diagnostiche denominato LT3050, un circuito integrato innovativo che combina buone prestazioni, affidabilità e resistenza, aspetti che caratterizzano i regolatori lineari di Linear Technology, oltre a una serie di funzionalità potenziate. Il dispositivo include la limitazione programmabile della corrente, il soft-start, il rilevamento circuito aperto, il monitoraggio della corrente di uscita e il segnale di guasto a collettore aperto. L'LT3050 fornisce fino a 100 mA di corrente di uscita continua e una tensione di dropout tipica di 340 mV a pieno carico. Il circuito integrato opera in un range di tensioni di ingresso compreso tra 2 V e 45 V, con tensioni di uscita regolabili fino a 0,6 V minimi. Un singolo condensatore garantisce un funzionamento a rumore bassissimo (solo 30mVRMS su una larghezza di banda compresa tra 10 Hz e 100 kHz) e funzionalità soft-start del riferimento, per impedire correnti di spunto elevate e l'overshoot della tensione di uscita all'accensione. Il valore di tolleranza della tensione di uscita è molto preciso (±2%) al variare delle condizioni di linea, carico e temperatura. La bassa corrente di riposo in modalità operativa (50m A) gli consente di funzionare al minimo con un consumo minimo della batteria e con meno di 1m A in modalità di spegnimento. Il dispositivo è allocato nel package Dfn-12 da 2 mm x 3 mm e Msop-12 con funzionalità termiche avanzate; entrambi i package sono molto compatti.

Molte funzioni di protezione
L'LT3050 genera un'alimentazione stabile a basso rumore per sistemi di antenne attive, isolando e proteggendo il sistema stesso dall'alimentazione a 12 V rumorosa e volatile dell'auto. Il circuito integrato resiste a tensioni di ingresso di ±50 V e condizioni di inversione della batteria potenzialmente generate dall'alimentazione a 12 V, nonché a inversioni dell'uscita di ±50 V. L'LT3050 elimina il rumore dell'alimentazione, isolando in modo efficace l'alimentatore dell'antenna dal rumore sulla linea da 12 V o da un regolatore step-down intermedio. Un singolo condensatore garantisce la funzionalità soft-start del riferimento e una derivazione del rumore, consentendo un tempo di avvio programmabile e un funzionamento a rumore bassissimo. Un limite di corrente programmabile di precisione assicura un'ulteriore protezione consentendo all'utente di impostare un limite di corrente del 110% rispetto al carico massimo, senza influire sulla regolazione del carico durante il normale funzionamento. Inoltre la combinazione tra limite di corrente di backup, foldback della corrente e spegnimento termico con isteresi consente cortocircuiti dell'uscita da un'alimentazione in ingresso di 50 V, senza danneggiare il circuito integrato. L'uscita può essere spinta a 50 V sopra l'ingresso con un flusso di corrente minimo nell'ingresso e senza danneggiare il circuito integrato.

Funzionalità di diagnostica incluse
L'LT3050 comprende circuiti che forniscono informazioni diagnostiche ai sistemi di controllo dell'auto. Un indicatore di guasto a collettore aperto in grado di ridurre 100 mA, si attiva quando vengono rilevate condizioni di circuito aperto o cortocircuito o se il circuito integrato subisce uno spegnimento termico. L'LT3050 inoltre prevede una funzione di monitoraggio della corrente che genera (mediante il pin IMON) circa 1/100esimo della corrente di uscita da usare per monitorare e proteggere il sistema di antenne (Fig. 3). Semplicemente collegando un resistore da IMON a GND si ottiene una tensione con riferimento a terra proporzionale alla corrente di uscita. Il rilevamento di cortocircuiti programmabile e la limitazione della corrente sono garantiti al pin IMAX e, una volta impostati, variano meno del 5% a causa delle variazioni di linea e alla temperatura. Il pin IMAX è il collettore di uno speciale dispositivo a specchio di corrente appositamente ideato che genera circa 1/200esimo della corrente di uscita. Questo pin è anche l'ingresso dell'amplificatore del limite di corrente di precisione. Collegando un resistore (RIMAX) tra IMAX e GND si imposta il rilevamento del cortocircuito e le soglie del limite di corrente programmabile. I circuiti dell'amplificatore del limite di corrente eseguono due funzioni. Innanzitutto segnalano un malfunzionamento se la tensione del pin IMAX raggiunge i 600 mV. In secondo luogo regolano la corrente di uscita in modo che la tensione del pin IMAX non superi i 600 mV, limitando la corrente di uscita a 0,6 V*200/RIMAX. La soglia di rilevamento di circuito aperto programmabile è fissata al pin IMIN. Il pin IMIN è il collettore di un dispositivo a specchio di corrente appositamente ideato che genera circa 1/200esimo della corrente di uscita. Questo pin è anche l'ingresso del comparatore per il rilevamento del circuito aperto, con riferimento al riferimento interno di 600 mV. Collegando un resistore tra IMIN e GND si imposta la soglia di rilevamento del circuito aperto. Se la tensione del pin IMIN scende al di sotto dei 600 mV, il comparatore si attiva e il pin FAULT segnala un malfunzionamento. Il comparatore utilizza una piccola quantità di isteresi per evitare glitch del pin Fault.

La complessità dell'infotainment
Le auto moderne sono tecnicamente molto più avanzate di quelle dei nostri padri. Le radio Am/Fm hanno aperto la strada a progressi tecnologici quali la radio satellitare, i sistemi di navigazione, l'Hdtv, i cellulari integrati, i lettori multimediali e i sistemi di videogiochi. Una maggiore complessità dei componenti dei sistemi di infotainment a bordo auto ha comportato un aumento del numero di sistemi di antenne attive. I circuiti di questi sistemi devono essere protetti e isolati dal difficile ambiente veicolare e necessitano di funzioni di diagnostica per segnalare lo stato dell'antenna. Il nuovo circuito integrato di Linear Technology LT3050, alimentatore di antenne attive e regolatore lineare di diagnostica, affronta i problema associati alla progettazione di antenne attive con funzioni quali limite di corrente programmabile, soft-start, rilevamento circuito aperto, monitoraggio della corrente di uscita e segnale di guasto a collettore aperto. L'LT3050 offre inoltre un ampio range di tensioni di ingresso, una corrente di riposo bassa, basso rumore di uscita su un'ampia larghezza di banda, elevata precisione della tensione di uscita, bassa tensione di dropout e capacità di resistere alle inversioni della tensione di ingresso e uscita. Anche la stabilità e l'uscita a basso rumore dell'LT3050 sono vantaggi per l'utente finale che può disporre di segnali di trasmissione/ricezione più chiari e affidabili, con conseguente miglioramento dell'esperienza di infotainment a bordo auto. Sicuramente anche i nostri padri avrebbero voluto avere tutto questo nella loro auto!

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