A gépjárműiparban előírt biztonság elérése nagy megbízhatóságú tekercsek használatával

A fejlett vezetéstámogató rendszerek (ADAS, advanced driver assistance systems) és az automatizált járműirányító rendszerek (ADS, automated driving systems) a gépjárművek olyan, a biztonság szempontjából létfontosságú önálló irányítórendszerei, amelyek egy vagy több korszerű processzort tartalmaznak, azok pedig a több érzékelőtől kapott bemenőjelek alapján fontos döntéseket hoznak. Ezek a processzorok jellemzően különböző kis feszültségszinteken működnek, de az áramfelvételük a két számjegyű ampertartományban lehet.

A processzorok többféle feszültséggel történő ellátására áramellátást kezelő integrált áramköröket (PMIC, power management integrated circuit) használnak, de ezekhez a stabil áramellátás biztosítása érdekében nagy megbízhatóságú induktivitásokra (azaz tekercsekre) van szükség. Ezeknek az induktivitásoknak képeseknek kell lenniük nagy áramerősségeket kezelni kis veszteségek mellett, akár 10 MHz kapcsolási frekvencián is. Az induktivitások térfogati hatásfokának is jónak kell lennie, azaz kis területet kell elfoglalniuk a nyomtatott áramköri (nyák) lapon, és egyúttal laposaknak is kell lenniük. Mint az önvezető rendszerek minden alkatrészének, ezeknek is meg kell felelniük a gépjárműipar által megkövetelt szigorú megbízhatósági és biztonsági szabványoknak, például az AEC-Q200 szabványnak.

Ez a cikk röviden ismerteti az ADAS/ADS feldolgozási követelményeit. Ezután bemutatja a TDK speciálisan erre a felhasználási területre szánt tekercseit, valamint azt, hogy azok egyedi jellemzői hogyan segíthetik strapabíró és biztonságos gépjárműipari eszközök létrehozását.

Önvezető rendszerek

A jellegzetes ADAS/ADS rendszerek valamilyen célprocesszort használnak, amely több érzékelővel összekapcsolva hozza meg a járművek önvezetéséhez szükséges gyors döntéseket (1. ábra).

1. ábra: Az ADAS/ADS rendszerekben lévő processzoroknak megbízható, kis feszültségű, nagy áramerősségű áramellátásra van szükségük, amelyet egy áramellátás-kezelő IC (PMIC) szolgáltat a járműnek az érzékelőktől kapott bemenőjelek alapján történő vezérlése végett (kép: EPCOS-TDK)

Ezeknek a processzoroknak a tápsínfeszültsége általában kicsi, körülbelül 1 V, de az áramerősség-szintek 10 A-es nagyságrendűek lehetnek, ami megterheli a PMIC-t. Az 1. ábrán látható szekunder átalakító nyolc áramtekercset használ a PMIC mellett a processzor áramellátására.

Az áramtekercsek olyan passzív eszközök, amelyek elektromágneses terükben tárolják az energiát. Ezeket az eszközöket elterjedten használják áramellátó áramkörökben és egyenáram-átalakítókban. A PMIC mellett feszültségcsökkentő áramátalakítóként használt áramtekercsek kulcsfontosságú alkatrészek, amelyek befolyásolják az áramátalakítási folyamat hatásfokát (2. ábra).

2. ábra: Az egyszerű feszültségcsökkentő áramátalakító ezen egyszerűsített áramköri rajza kiemelten szemlélteti az áramtekercs szerepét (kép: EPCOS-TDK)

A feszültségcsökkentő áramátalakító a bemenőfeszültségnél kisebb kimenőfeszültséget állít elő. A feszültségcsökkentő áramátalakítóban egy kapcsoló sorba van kötve a bemenőfeszültség-forrással (V_IN). A bemenőfeszültség-forrás a kapcsolón és egy aluláteresztő szűrőn keresztül táplálja a kimenetet. A szűrő egy áramtekerccsel és egy kimeneti kondenzátorral van megvalósítva. Állandósult üzemállapotban, amikor a kapcsoló T_ON ideig be van kapcsolva (a MOSFET ki van nyitva), a bemenet meghajtja a kimenetet, valamint az áramtekercset. Ebben a T_ON időszakban a bemenőfeszültség (V_IN) és a kimenőfeszültség (V_OUT) közötti különbség az áramtekercsre (Power inductor) kerül előremenő irányban, amint azt a SWITCH ON (Bekapcsolva) nyíl mutatja. A tekercsáram (I_L) lineárisan nő az I_peak csúcsértékig.

Amikor a kapcsoló ki van kapcsolva (zárt állapotban van a MOSFET) (T_OFF), a tekercsáram továbbra is ugyanabban az irányban folyik, mert a tekercsben tárolt energia a kommutációs diódán keresztül továbbra is áramot szolgáltat a terhelésnek, amint azt a SWITCH OFF (Kikapcsolva) nyíl mutatja. Ebben a T_OFF időszakban a tekercsre a V_OUT kimenőfeszültség fordított irányban van ráadva, és a tekercsáram lecsökken az I_peak értékről. Ez fűrészfoghullám alakú áramot eredményez. A búgóáram nagysága az áramtekercs induktivitásával arányos lesz. Az induktivitás értékét általában úgy állítják be, hogy a névleges kimenőáram 20-30%-ának megfelelő búgóáramot eredményezzen. A kimenőfeszültség a kapcsoló működési ciklusával lesz arányos.

Ha a terhelés hirtelen megnő, a kimenőfeszültség csökken, ami rövid idő alatt abnormálisan nagy csúcsáramot eredményez az áramtekercsen keresztül, és ez tölti a kimeneti kondenzátort. Az áramtekercs értéke befolyásolja az áramátalakító tranziensekre adott válaszát: a kis tekercsértékek csökkentik, a nagyobb értékek pedig növelik a helyreállási időt.

Gépjárműipari környezetben ezeknek a tekercseknek nagyon szigorú villamos és mechanikai előírásoknak kell megfelelniük. Ezek közül a legfontosabb a nagyfokú megbízhatóság. A gépjárművekben való használatra szánt passzív alkatrészek megbízhatóságát és minőségét a Gépjármű-elektronikai Tanács (AEC, Automotive Electronics Council) által meghatározott szabványok alapján minősítik. A passzív alkatrészek minősítése az AEC-Q200 szabvány szerint történik, amely a tűrőképességre vonatkozó globális szabvány. Ennek a gépjárműiparban való felhasználásra szánt valamennyi passzív elektronikus alkatrésznek meg kell felelnie. A tesztek között megtalálható az ütés-, a rezgés- és a nedvességállóságnak, a forrasztási hő elviselésének, valamint az oldószerekkel, az áramköri lap hajlításával és az elektrosztatikus kisüléssel (ESD) szembeni védettségnek az ellenőrzése is. A tesztek –40 °C és +125 °C közötti üzemihőmérséklet-vizsgálatokat is tartalmaznak, szélsőséges hőmérsékleteknek és hőciklusoknak való kitettséggel.

A gépjárműipari alkalmazásokhoz a tekercseknek kis méretűeknek kell lenniük, és működőképeseknek kell lenniük a várható gépjárműipari hőmérséklet-tartományban. Ez utóbbi képesség a teljesítményveszteség és a hőmérséklet-emelkedés minimálisra csökkentése érdekében kis soros ellenállást követel meg. A tekercseknek képeseknek kell lenniük a PMIC-k által jellemzően használt 2–10 MHz közötti kapcsolási frekvencián való működésre, valamint nagy átmeneti terhelések kezelésére, amelyek esetén nagy telítési áramok is előfordulhatnak.

Gépjárműipari felhasználásra tervezett áramtekercsek

Az EPCOS-TDK CLT32 sorozatú áramtekercseit az ADAS/ADS felhasználási területre szánták, ezért nagy a megbízhatóságuk és az áramerősségük, kicsi a soros ellenállásuk, nagy a telítési áramuk, és kis méretűek (3. ábra).

3. ábra: A TDK CLT32 sorozatú áramtekercsek egy darabból álló, csatlakozóval ellátott tekercs kialakításúak, és vastag réztekercs található bennük, belső kötések nélkül. A mágneses kiöntőanyag lágy telítési jelleggörbét tesz lehetővé (kép: EPCOS-TDK)

A CLT32 áramtekercseket egy egy darabból álló vastag réztekercs alkotja, beépített csatlakozókialakítással. Ez azt jelenti, hogy nincsenek olyan belső kötések, amelyek megbízhatatlan működést okozhatnának. A vastag réztekercs a teljesítményveszteségek minimalizálása érdekében a soros ellenállást is mindössze 0,39 mΩ-ra csökkenti. A kisebb ellenállás kisebb hőtermelést is eredményez terhelés alatt.

A tekercset egy újonnan kifejlesztett ferromágneses műanyagkeverékkel öntik körül, ez alkotja a tekercs magját és külső burkolatát is. A maganyag kiváló villamos jellemzőkkel rendelkezik, még magas hőmérsékleten és nagyfrekvenciás eszközökben is. Külön kiemelendő a kis magveszteség. Emellett az anyag kis nyomáson és alacsony hőmérsékleten való feldolgozhatósága minimálisra csökkenti a gyártás során a tekercsre ható erőket.

A mag anyaga az alternatív ferritanyagokhoz képest lágy telítési jelleggörbét biztosít. Az induktivitás mágneses telítődés következtében bekövetkező változását telítési elvándorlásnak hívják, és az induktivitás százalékos változásaként mérhető (4. ábra).

4. ábra: A mágneses telítődésre adott válaszként a CLT32 mag kis telítési elvándorlást mutat, ami lágy reagálást tesz lehetővé (kép: EPCOS-TDK)

A CLT32 maganyaga észrevehetően kisebb telítődés miatti induktivitásérték-változást mutat, különösen magasabb hőmérsékleteken. Az eszközök legnagyobb telítési áramerőssége elérheti a 60 A-t.

A teljes tekercs egy 3,2 mm × 2,5 mm × 2,5 mm méretű lapos tokban van elhelyezve. Ez a nagyon jó térfogati hatásfok azt jelenti, hogy több tekercs is használható anélkül, hogy a készülékhez nagyobb nyomtatott áramköri lapot kellene használni. A tekercsek –40 °C és +165 °C közötti hőmérséklet-tartományban használhatóak. Ez a hőmérséklet-tartomány meghaladja az AEC-Q200 fentebb említett követelményeit, ott 125 °C a legmagasabb vizsgálati hőmérséklet.

A TDK CLT32 áramtekercsek 17 nH és 440 nH közötti induktivitásértékekkel kaphatóak, lásd: 1. táblázat.

1. táblázat: A táblázat a TDK CLT32 áramtekercsek főbb jellemzőit és az egyes tekercsek rendelési kódját tartalmazza. Mindegyik áramtekercs ugyanakkora, 3,2 mm × 2,5 mm × 2,5 mm méretű lapos tokban van elhelyezve (táblázat: EPCOS-TDK)

A táblázatban az R_DC érték a tekercs egyenáramú soros ellenállása. Megjegyzendő, hogy a nagyobb induktivitáshoz szükséges nagyobb menetszám miatt a soros ellenállás az induktivitás értékével együtt nő. Az I_SAT az induktivitás értékének a telítés miatti csökkenésén alapuló telítési áramerősség. Ennek értéke fordított arányban áll az induktivitásértékkel. Az I_temp a legnagyobb névleges áramerősség a tokozásban bekövetkező hőmérséklet-növekedés alapján. Az I_temp értéke szintén fordítottan arányos az induktivitás értékével.

Az áramtekercs veszteségei közé tartoznak a tekercs egyenáramú soros ellenállásával arányos egyenáramú veszteségek is. A bőrhatás, a hiszterézisveszteség és az örvényáram-veszteség miatt váltakozó áramú veszteségek is fellépnek. Az örvényáramú váltakozó áramú veszteségek a mag anyagával függenek össze.

Az alternatív technikákhoz, például a vékonyréteg- vagy fémkompozit-tekercsekhez képest a CLT32 tekercsek kisebb búgóáram miatti veszteséget mutatnak (5. ábra).

5. ábra: A CLT32 áramtekercseknek kisebb a búgóáram miatti teljesítményveszteségük, mint a vékonyréteg- és a fémkompozit-tekercseknek (kép: EPCOS-TDK)

A kis búgóáram miatti váltakozó áramú veszteségek azt jelentik, hogy nagyobb búgóáramokat visel el az eszköz, így kisebb kapacitásértékű kondenzátorokat lehet használni az egyenáram-átalakítókban.

A kisebb veszteségek más tekercstípusokénál jobb hatásfokot is jelentenek (6. ábra).

6. ábra: Az egykimenetű feszültségcsökkentő áramátalakítókban használt áramtekercsek teljesítményének összehasonlítása azt mutatja, hogy a CLT32 áramtekercsek jobb hatásfokúak (kép: EPCOS-TDK)

Kis terhelés esetén a magveszteségek a meghatározóak az áramtekercs hatásfokában. A nagyobb terhelés az ellenállási veszteségek miatt rontja a hatásfokot. A CLT32 áramtekercsek minden esetben jobbak, mint a helyettük használható technikák.

Összegzés

A TDK CLT32 sorozatú áramtekercseknél használt újszerű tervezési elgondolások kisebb méretet és jobb villamos teljesítményt tesznek lehetővé, mint a versenytárs technikák, miközben nagyobb megbízhatóságot kínálnak azokénál. Széles üzemi hőmérséklet-tartományuknak és nagy frekvenciatartományuknak köszönhetően ideális alkatrészek a következő generációs ADAS/ADS-készülékekben való felhasználásra.