Risparmiare carburante con lo start&stop

AUTOMOTIVE –

Una soluzione ai problemi legati all’alimentazione dei sistemi start&stop per auto che consentono di risparmiare carburante e che continueranno a diffondersi nei prossimi anni.

Molti costruttori di automobili hanno ideato un modo intelligente per risparmiare carburante nelle automobili usando un nuovo sistema denominato “start&stop”. Questo sistema spegne automaticamente il motore quando la macchina è ferma e in folle e la riavvia non appena il conducente preme il pedale della frizione. La funzione start&stop automatica riduce sia il consumo di carburante che le emissioni spegnendo il motore ogni volta che il veicolo si ferma completamente (es. al semaforo), per poi riavviarlo automaticamente. La riduzione del consumo di carburante è pari all'8% nel traffico cittadino rispetto a un'auto priva di questo sistema. Un altro vantaggio è la riduzione dell'impronta di carbonio.
Il principio è semplice: quando il motore non è acceso, non consuma carburante. La funzione start&stop automatica spegne il motore ogni volta che non serve. In presenza di un ingorgo stradale o di traffico rallentato, basta mettere il cambio in folle e togliere il piede dalla frizione per attivare la funzione. Sul display compare il messaggio 'start&stop' che segnala che il motore è spento. Per farlo ripartire subito, è sufficiente ingranare di nuovo la marcia. È da notare che la funzione start&stop automatica non influisce sul comfort e sulla sicurezza di guida: ad esempio, non viene attivata se il motore non ha raggiunto una temperatura d'esercizio ideale o il condizionatore non ha portato la temperatura dell'abitacolo al livello desiderato, se la batteria non è adeguatamente caricata o se il conducente muove il volante. La funzione start&stop automatica è coordinata da un'unità di controllo centrale che monitora i dati provenienti dai relativi sensori, inclusi il motorino di avviamento e l'alternatore. Se necessario ai fini del comfort e della sicurezza, l'unità di controllo riavvia automaticamente il motore, ad esempio se il veicolo inizia a muoversi, la carica della batteria è troppo bassa o si forma della condensa sul parabrezza. Inoltre la maggior parte dei sistemi riconosce la differenza tra un arresto temporaneo e la fine del viaggio. Il motore non viene riavviato se la cintura di sicurezza del conducente non è allacciata, se uno sportello o il bagagliaio è aperto. La funzione start&stop automatica può anche essere completamente disattivata semplicemente premendo un pulsante.
Tuttavia può capitare che, quando il motore riparte e l'auto è dotata di sistema di infotainment o di un altro dispositivo elettronico che consuma più di 5 V, la batteria da 12 volt scenda al di sotto dei 5 volt causando il ripristino di questi sistemi. Alcuni sistemi di infotainment funzionano con tensioni comprese tra 5 e 8,5 V alimentate da un convertitore step-down che opera dalla batteria dell'auto. Quando la tensione in ingresso scende al di sotto dei 5 V durante il riavvio del motore (avvio a freddo), si verifica un ripristino di questi sistemi quando il convertitore Dc/Dc può solo ridurre la tensione in ingresso. Naturalmente non è accettabile che, ogni volta che l'auto riparte, i sistemi vengano ripristinati mentre si guarda un video o si ascolta un Cd.

Una nuova soluzione
Fortunatamente Linear Technology possiede un controller Dc/Dc a tre uscite, l'LTC3859A, che in un unico package combina un controller boost sincrono e due controller step-down sincroni. L'uscita del convertitore boost sincrono alimenta i convertitori step-down mantenendo una tensione sufficientemente elevata da evitare, in caso di riavvio del motore, il ripristino dei sistemi elettronici che consumano una tensione maggiore di 4V. Inoltre il convertitore boost opera con un duty cycle del 100% quando la tensione in ingresso della batteria dell'auto è maggiore della sua tensione in uscita programmata, per cui si limita a trasmettere la tensione in ingresso direttamente ai convertitori step-down, riducendo al minimo la perdita di potenza. Uno schema di un LTC3859A mostra come il convertitore boost sincrono fornisce 10 volt ai convertitori step-down sincroni quando la tensione della batteria scende al di sotto dei 10 volt. Oltre ad alimentare i due convertitori step-down, che in questo esempio producono 5V/5A e 8,5V/3A, il convertitore boost può essere usato come terza uscita in grado di fornire altri 2 A. L'LTC3859A è un controller Dc/Dc sincrono a tripla uscita, con controllo in modalità di corrente, a bassa corrente di riposo che funziona con tutti i Mosfet a canale N da tensioni in ingresso comprese tra 4,5V e 38V durante l'avvio e mantiene il funzionamento fino a 2,5 V dopo l'accensione. I due controller buck, canali 1 e 2, operano in contro-fase (180°) e possono produrre tensioni in uscita comprese tra 0,8 e 24 V, ideali per sistemi di navigazione e infotainment, processori e memoria. Il controller boost, canale 3, funziona in fase con il canale 1 e produce tensioni in uscita fino a 60V. I potenti gate driver integrati da 1,1Ω per ogni canale riducono al minimo le perdite di commutazione dei Mosfet. La frequenza operativa può essere programmata da 50kHz a 900kHz oppure sincronizzata su un clock esterno grazie al Pll (Phase-Locked Loop) interno su un range compreso tra 75kHz e 850kHz. L'elemento che distingue l'LTC3859A dall'LTC3859 è un bloccaggio interno sul pin INTVCC che impedisce una tensione eccessiva sul pin INTVCC nel caso in cui l'utente utilizzi inavvertitamente un diodo Schottky di bootstrap difettoso. Tra le altre caratteristiche figurano un Ldo integrato per l'alimentazione del circuito integrato e gate drive, funzione soft-start programmabile, segnale powergood e controllo VCC esterno. La precisione VREF è ±1% su un range di temperature di esercizio comprese tra -40°C e 85°C; l'LTC3859A è disponibile in package Ssop-38 o QFN-38 da 5mm x 7mm.

Estensione della durata delle batterie
Qualsiasi sistema a batteria che ha bisogno di un bus di alimentazione “sempre attivo” quando il resto del sistema è disattivato deve risparmiare l'energia delle batterie. Questo stato viene comunemente definito modalità sleep, standby o inattività e richiede che questi sistemi abbiano una corrente di riposo molto bassa. La corrente di riposo bassa per risparmiare l'energia delle batterie è un fattore particolarmente importante nelle applicazioni automotive dotate di molti circuiti elettrici, ad esempio sistemi telematici, lettori Cd/Dvd, sistemi di accesso senza chiave remoti e più linee di bus sempre attive. Il consumo di corrente collettivo di questi sistemi durante la modalità di standby deve rimanere il più basso possibile; per questo, con l'aumentare della dipendenza delle auto dai sistemi elettronici, diventa sempre più indispensabile risparmiare l'energia delle batterie.
L'LTC3859A consuma solo 75µA nella modalità sleep con il convertitore boost e uno dei convertitori buck attivi. Con i tre canali attivi e nella modalità sleep, l'LTC3859A consuma solo 100µA, il che comporta una notevole estensione della durata delle batterie in caso di inattività. Questo si ottiene configurando la parte per il funzionamento Burst Mode ad alta efficienza; l'LTC3859A fornisce brevi impulsi di corrente al condensatore in uscita, quindi entra nella modalità sleep e l'alimentazione in uscita viene fornita al carico solo dal condensatore in uscita. Il ripple di uscita del Burst Mode è indipendente dal carico, cambia solo la lunghezza degli intervalli di sleep. Nella modalità sleep gran parte dei circuiti interni è disattivata, tranne quelli che devono rispondere velocemente e riducono ulteriormente la corrente di riposo. Quando la tensione di uscita diminuisce sufficientemente, il segnale sleep si abbassa e il controller riprende il normale funzionamento Burst Mode attivando il Mosfet esterno in alto. In alternativa vi sono casi in cui l'utente deve mantenere il forced continuous mode o la modalità pulse skip a frequenza costante con correnti di carico leggere. Le due modalità sono facilmente configurabili, avranno una corrente di riposo maggiore e un picco inferiore al ripple di uscita massimo.

Efficienza e dimensioni
'Load dump' è un termine che fa riferimento alla spinta induttiva che si verifica dopo lo spegnimento del motorino di avviamento. Questa sovratensione viene normalmente bloccata a 36 volt max per un sistema di batterie per auto al piombo-acido da 12 volt. In questo caso il controller, i Mosfet e i relativi componenti devono essere in grado di funzionare con la tensione bloccata. Questi dispositivi a tensione più elevata possono ridurre l'efficienza, è un effetto che bisogna cercare di ridurre al minimo. È possibile disattivare i tre canali dell'LTC3859A indipendentemente l'uno dall'altro mediante i pin RUN1, RUN2 e RUN3. Portando uno di questi pin al di sotto di 1,2V, il loop di controllo principale del relativo canale si disattiva. Portando i tre pin al di sotto di 0,7V, vengono disattivati tutti i controller e la maggior parte dei circuiti interni, inclusi gli Ldo integrati. In questo stato l'LTC3859A consuma una corrente di riposto di appena 8uA.
I pin TRACK/SS1 e TRACK/SS2 dei due controller buck possono essere utilizzati per regolare il tempo di attivazione della funzione soft-start o effettuare il tracking coincidente o raziometrico di due (o più) alimentazioni durante l'avvio.

Funzioni di protezione
L'LTC3859A può essere configurato per rilevare la corrente in uscita con la resistenza serie dell'induttore o un resistore di sense in serie. La scelta tra i due tipi di dispositivi deriva spesso da un compromesso tra costo, consumo energetico e precisione. Il rilevamento DCR si sta diffondendo perché evita l'uso di costosi resistori di sense evitandone relativa caduta di tensione (e conseguente dissipazione di potenza), soprattutto nel caso delle applicazioni a corrente elevata. L'LTC3859A prevede il foldback della corrente per i canali buck in modo da limitare la corrente di carico quando l'uscita è messa a terra. Comparatori integrati monitorano la tensione in uscita buck e segnalano una condizione di sovratensione quando l'uscita è maggiore del 10% rispetto alla tensione in uscita nominale. In presenza di tale condizione, il Mosfet superiore viene disattivato e quello inferiore viene attivato finché la sovratensione non viene eliminata. Il Mosfet inferiore rimane sempre attivo finché persiste la condizione di sovratensione. Il funzionamento normale riprende quando la tensione in uscita ritorna a un livello sicuro. Un apposito circuito di spegnimento disattiva l'LTC3859A in presenza di temperature elevate o nei casi in cui la dissipazione di potenza interna provoca un surriscaldamento sul chip. Quando la temperatura di giunzione supera i 170°C circa, il circuito contro il surriscaldamento disattiva l'Ldo integrato facendo in modo che la tensione di polarizzazione scenda a zero volt e disattivando normalmente tutto l'LTC3859A. L'Ldo si riattiva quando la temperatura di giunzione torna a circa 155°C.

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