Come garantire la sicurezza automotive utilizzando induttori ad alta affidabilità.
I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e i sistemi di guida automatizzata (ADS) sono sistemi di guida autonoma per autoveicoli critici dal punto di vista della sicurezza comprendenti uno o più processori avanzati che prendono decisioni critiche in base agli input da più sensori. Questi processori funzionano in genere a vari livelli di bassa tensione, ma possono assorbire una corrente significativa.
I circuiti integrati di gestione dell'alimentazione (PMIC) sono utilizzati per fornire tensioni multiple ai processori, ma richiedono induttori ad alta affidabilità per un'alimentazione stabile. Questi induttori devono essere in grado di gestire grandi correnti con basse perdite di potenza a frequenze di commutazione fino a 10 MHz. Gli induttori devono anche essere efficienti dal punto di vista volumetrico, con un ingombro compatto sulla scheda CS e un profilo ribassato. Come tutti i componenti dei sistemi a guida autonoma, devono soddisfare i severi standard di affidabilità e sicurezza richiesti dal settore automotive, come AEC-Q200.
Questo articolo descrive brevemente i requisiti di elaborazione degli ADAS/ADS. Presenta quindi gli induttori di TDK progettati appositamente per questa applicazione e mostra come le loro caratteristiche uniche possano contribuire a un progetto automotive robusto e sicuro.
Sistemi a guida autonoma
Un tipico ADAS/ADS utilizza un processore specializzato interfacciato con più sensori per prendere le decisioni rapide necessarie alla guida autonoma (Figura 1).
La tensione di alimentazione di questi processori è generalmente bassa, circa 1 V, ma i livelli di corrente possono essere dell'ordine delle decine di ampere, che causano stress al PMIC. Il convertitore secondario della Figura 1 utilizza otto induttori di potenza con il PMIC per alimentare il processore.
Gli induttori di potenza sono dispositivi passivi che immagazzinano energia nei campi elettromagnetici e sono ampiamente utilizzati nei circuiti di alimentazione e nei convertitori c.c./c.c. Utilizzati con il PMIC come convertitori step-down o buck, gli induttori di potenza sono componenti chiave che influenzano le prestazioni del processo di conversione di potenza (Figura 2).
Un convertitore buck produce una tensione di uscita inferiore alla tensione di ingresso. In un convertitore buck, un interruttore è posto in serie alla sorgente della tensione di ingresso (VIN). La sorgente di ingresso alimenta l'uscita attraverso l'interruttore e un filtro passa-basso. Il filtro è implementato con un induttore di potenza e un condensatore di uscita. In uno stato di funzionamento stabile, quando l'interruttore è acceso per un periodo TON, l'ingresso pilota l'uscita e l'induttore di potenza. Durante questo periodo TON, la differenza dei livelli di tensione tra VIN e la tensione di uscita (VOUT) viene applicata all'induttore in senso diretto, come indicato dalla freccia di accensione. La corrente dell'induttore (IL) aumenta linearmente fino a Ipeak.
Quando l'interruttore è spento (TOFF), la corrente dell'induttore continua a fluire nella stessa direzione grazie all'energia immagazzinata dall'induttore che continua a fornire corrente al carico attraverso il diodo di commutazione, come illustrato dalla freccia "switch off". Durante questo periodo TOFF, l'induttore è attraversato dalla tensione di uscita VOUT in senso inverso e la corrente dell'induttore diminuisce rispetto al valore Ipeak. Il risultato è una corrente di ripple triangolare. L'entità di questa corrente di ripple dipende dall'induttanza dell'induttore di potenza. Il valore di induttanza è generalmente impostato in modo da ottenere una corrente di ripple pari al 20-30% della corrente di uscita nominale. La tensione di uscita sarà proporzionale al ciclo di lavoro dell'interruttore.
Se il carico aumenta improvvisamente, si verificherà una caduta della tensione di uscita, con conseguente picco di corrente insolitamente elevato attraverso l'induttore di potenza in un breve lasso di tempo per caricare il condensatore di uscita. Il valore dell'induttore di potenza influisce sulla risposta ai transitori del convertitore: valori bassi dell'induttore accelerano il tempo di recupero e valori alti lo aumentano.
Nell'ambiente dei veicoli, questi induttori devono soddisfare standard elettrici e meccanici molto rigorosi. Il primo di questi è l'alta affidabilità. L'affidabilità e la qualità dei componenti passivi destinati al funzionamento nei veicoli sono qualificati in base agli standard stabiliti dall'Automotive Electronics Council (AEC). I componenti passivi sono qualificati secondo AEC-Q200, lo standard globale di resistenza alle sollecitazioni che tutti i componenti elettronici passivi devono soddisfare se destinati al settore automotive. I test comprendono la resistenza a urti, vibrazioni, umidità, solventi, calore di saldatura, flessione della scheda e scariche elettrostatiche (ESD). I test comprendono anche prove di temperatura da -40 a +125 °C, con esposizione a temperature estreme e ciclicità termica.
Per le applicazioni automotive, gli induttori devono avere dimensioni compatte e funzionare nell'intervallo di temperatura previsto per il settore. Quest'ultima capacità richiede una bassa resistenza in serie per ridurre al minimo la perdita di potenza e l'aumento di temperatura. Gli induttori devono inoltre essere in grado di funzionare a frequenze di commutazione di potenza comprese tra 2 e 10 MHz, tipiche dei PMIC, e di gestire carichi transitori elevati con possibili correnti di saturazione elevate.
Induttori di potenza progettati per il settore automotive
Gli induttori di potenza serie CLT32 di EPCOS-TDK sono progettati per le applicazioni ADAS/ADS e sono caratterizzati da elevata affidabilità, alte correnti nominali, bassa resistenza in serie, alte correnti di saturazione e piccole dimensioni (Figura 3).
Gli induttori di potenza CLT32 sono formati da una bobina di rame spessa monopezzo con una struttura terminale integrata. Ciò significa che non prevede collegamenti interni che possano causare un funzionamento inaffidabile. La spessa bobina di rame mantiene inoltre la resistenza in serie a 0,39 mΩ per ridurre al minimo le perdite di potenza. La minore resistenza si traduce anche in una minore generazione di calore sotto carico.
La bobina è sovrastampata con un composto plastico ferromagnetico di nuova concezione che costituisce sia il nucleo della bobina sia l'alloggiamento esterno. Il materiale del nucleo presenta eccellenti caratteristiche elettriche, anche a temperature elevate e in applicazioni ad alta frequenza. Particolarmente degne di nota sono le basse perdite nel nucleo. Inoltre, la capacità del materiale di essere lavorato a bassa pressione e bassa temperatura riduce al minimo le sollecitazioni sulla bobina durante la produzione.
Il materiale del nucleo offre una caratteristica di saturazione graduale rispetto ai materiali di ferrite alternativi. La variazione dell'induttanza in seguito alla saturazione magnetica è espressa come deriva di saturazione, misurata come variazione percentuale dell'induttanza (Figura 4).
Il materiale del nucleo CLT32 offre una variazione sensibilmente inferiore del valore di induttanza dovuto alla saturazione, soprattutto alle temperature più elevate e offre correnti di saturazione massime di 60 A.
L'intero induttore è alloggiato in un contenitore a profilo ribassato di 3,2 × 2,5 × 2,5 mm. Questa elevata efficienza volumetrica consente di utilizzare più induttori senza dover migrare il progetto su una scheda CS più grande. Gli induttori sono caratterizzati per il funzionamento nell'intervallo di temperatura da -40 a +165 °C. Questo intervallo di temperatura supera i requisiti della temperatura massima di prova AEC-Q200 di 125 °C citata in precedenza.
Gli induttori di potenza CLT32 di TDK sono disponibili in valori di induttanza compresi tra 17 e 440 nH, come indica la Tabella 1.
Facendo riferimento alla tabella, RDC è la resistenza in serie dell'induttore. Si noti che il valore di induttanza cresce con l'aumentare del numero di spire necessarie per un'induttanza più elevata. ISAT è la corrente di saturazione basata sulla riduzione del valore dell'induttanza dovuta alla saturazione, che scala inversamente all'induttanza. Itemp è la corrente nominale massima, basata sull'aumento della temperatura nel contenitore. Anche Itemp scala inversamente al valore dell'induttanza.
Le perdite in un induttore di potenza comprendono perdite in corrente continua proporzionali alla resistenza in serie della bobina. Si verificano anche perdite in corrente alternata dovute all'effetto pelle, all'isteresi e alle correnti parassite. Le perdite parassite in c.a. sono correlate al materiale del nucleo.
Rispetto a tecnologie alternative, come gli induttori a film sottile o in metallo composito, gli induttori CLT32 hanno una minore perdita di potenza della corrente di ripple (Figura 5).
Le basse perdite di ripple in c.a. permettono di tollerare correnti di ripple più elevate, per valori di capacità inferiori nei convertitori c.c./c.c.
Le minori perdite si traducono anche in una maggiore efficienza rispetto ad altri tipi di induttori (Figura 6).
A bassi carichi, le perdite del nucleo dominano l'efficienza dell'induttore di potenza. Un carico maggiore riduce l'efficienza a causa delle perdite resistive. In tutti i casi, gli induttori di potenza CLT32 sono migliori delle tecnologie alternative.
Conclusione
Gli innovativi concetti incorporati negli induttori di potenza serie CLT32 di TDK offrono dimensioni più compatte e prestazioni elettriche migliori rispetto alle tecnologie concorrenti, garantendo al contempo una maggiore affidabilità. L'ampio intervallo di temperatura e il vasto campo di frequenza li rendono componenti ideali per l'utilizzo nei progetti ADAS/ADS di prossima generazione.
