Современные автомобили, использующие полуавтоматизированные и автоматизированные системы вождения, отказываются от централизованных систем распределения питания в пользу децентрализованных. При этом современные системы контроля электропитания и обеспечения его безопасности требуют замены электромеханических коммутаторов и предохранителей на быстродействующие ключи на базе MOSFET со встроенными микроконтроллерам и возможностями диагностики – такие как предлагаемые компанией Infineon интеллектуальные силовые ключи PROFET.
Открыв капот современного автомобиля и рассматривая претендующую на шедевр инженерного искусства композицию внутренних агрегатов, соединенных трубами, шлангами и проводами, мы понимаем, что без соответствующих знаний и специальных инструментов обычному водителю очень сложно обнаружить и исправить даже относительно простую поломку. На сегодняшний день в транспортных средствах с компьютерным управлением фактически остался единственный узел, в котором можно что-либо самостоятельно заменить без риска ухудшить ситуацию – центр распределения питания (Power Distribution Centre, PDC), содержащий предохранители и реле.
Однако в автомобилях будущего этого узла, скорее всего, уже не будет, а если он и останется, то в максимально упрощенном виде с минимальным количеством элементов. Это является следствием постоянного усложнения транспортных средств и появления в них новых узлов и функций, требующих пересмотра самих принципов распределения энергии. К сожалению, традиционные решения – защита цепей плавкими предохранителями и управление нагрузками с помощью электромеханических реле – уже не удовлетворяют современным требованиям к уровню надежности, безопасности и экономичности. Кроме того, усложнение бортовой сети автомобиля требует увеличения общего числа защищаемых участков, из-за чего в автомобиле для единого центра распределения питания может просто не оказаться места.
Единственной реальной альтернативой электромеханическим коммутаторам и плавким предохранителям сейчас являются их полупроводниковые аналоги, имеющие гораздо меньшие габариты и энергопотребление. Современные технологии позволяют интегрировать в одном малогабаритном корпусе не только мощные транзисторы, но и узлы для контроля напряжений и токов в коммутируемых цепях, а также собственный контроллер, обеспечивающий безопасную работу силового элемента и интеграцию всего узла в единое информационное пространство автомобиля. Таким образом, в ближайшем будущем в низковольтных системах электропитания ожидается не просто очередная замена элементной базы, а переход на совершенно иной качественный уровень.
Неудивительно, что многие ведущие мировые производители электронных рассматривают твердотельные интегральные реле в качестве одной из ключевых составляющих своей продукции. Не осталась в стороне от этого процесса и компания Infineon, недавно выпустившая на рынок новое семейство интеллектуальных силовых ключей PROFET.
Особенности систем электропитания современных автомобилей
Основным преимуществом плавких предохранителей является их высокая надежность. Являясь максимально простым по своей конструкции прибором, плавкий предохранитель гарантированно разорвет защищаемую цепь в случае ее перегрузки по току, тем самым предотвратив возможное возгорание проводки автомобиля.
Однако в современных автомобилях, активно использующих полуавтоматизированные (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) и автоматизированные (Autonomous Driving, AD) системы вождения, последние из которых позволяют практически полностью исключить водителя из процесса управления транспортным средством, содержится большое количество электрифицированных узлов, каждый из которых в любой момент может выйти из строя. В этом случае групповая защита нескольких агрегатов одним плавким предохранителем является потенциально опасным решением, поскольку внезапное отключение той или иной системы, особенно в процессе движения, может создать угрозу для жизни и здоровья человека. Из-за этого системы ADAS и AD в случае аварии должны отключаться не полностью, а переходить в безопасный аварийный режим (Fail-Safe State), с сохранением функциональности, максимально возможной при данном уровне повреждений. Очевидно, что для реализации подобного алгоритма работы необходимо контролировать уровень потребляемой мощности практически каждого узла и при возникновении аварии, в худшем случае, иметь возможность его отключения, а лучшем – переводить в режим контролируемого пониженного энергопотребления с сохранением хотя бы частичной работоспособности.
Не следует забывать, что основная система электропитания также может внезапно выйти из строя, в том числе и в процессе движения, поэтому критически важные узлы должны иметь возможность питания от резервных источников, хотя бы на некоторое минимальное время, необходимое для безопасной остановки автомобиля. Очевидно, что при таком подходе общее количество плавких предохранителей значительно возрастает, а установка их в одном месте, которое должно быть еще и легкодоступным для водителя, может оказаться нереализуемой технической задачей.
Плавкий предохранитель является достаточно медленным устройством – его типовое время срабатывания приблизительно равно 100 мс. Поскольку система электропитания на протяжении этого периода перегружена и не может обеспечивать остальные узлы энергией с нормальным качеством, то столь большое время реакции может привести к нестабильной работе и отказу других агрегатов, что, в конечном итоге, также может стать причиной создания аварийной ситуации на дороге. Не следует также забывать, что плавкий предохранитель является одноразовым, и после его срабатывания повторная подача питания на данный узел возможна только после его физической замены, что в ряде случаев может усложнить диагностику и ремонт автомобиля, особенно в полевых условиях.
Еще одними компонентами, препятствующими полноценному внедрению систем ADAS и AD, являются электромеханические реле, предназначенные для управления мощными нагрузками с помощью сигналов, формируемых с помощью слаботочных переключателей на панели управления или бортовым компьютером. Наличие механических контактов изначально ограничивает срок службы этих приборов, а чувствительность к тряске, вибрации, перепадам температур и влажности делает эти компоненты далеко не самыми надежными. Из-за низкой надежности реле обычно делаются быстросъемными и устанавливаются в специальные гнезда, контакты которых также подвержены механическому износу и коррозии.
Как и плавкие предохранители, электромеханические реле являются достаточно медленными устройствами и способны коммутировать нагрузки не чаще, чем несколько раз за секунду. Это значит, что регулировать посредством реле, например, величину тока, проходящего через коммутируемую цепь, с помощью высокочастотной ШИМ-модуляции физически невозможно. Наличие «сухого» контакта приводит к появлению искры, являющейся достаточно мощным источником электромагнитных помех, особенно при коммутации индуктивных нагрузок. Кроме того для обеспечения надежного электрического соединения в условиях тряски и вибрации контакты реле должны прижиматься с достаточно большой силой, поэтому мощность, потребляемая обмоткой реле, не может быть малой.
На сегодняшний день типовое автомобильное реле хорошего качества способно обеспечить в среднем около 100 тысяч переключений и потребляет около 4,5 Bт. Из-за высокой потребляемой мощности реле нельзя подключить напрямую, например, к порту ввода-вывода микроконтроллера, и для управления им необходимы специальные усилители (драйверы). Кроме того, при большом количестве реле значительные затраты на управление приводят к дополнительному расходу топлива и, соответственно, к увеличению количества выбросов углекислого газа.
Таким образом, традиционный подход к построению систем электропитания автомобиля – распределение энергии в едином централизованном узле – уже не позволяет обеспечить требуемые уровни функциональности и безопасности. Поэтому системы электропитания автомобилей будущего будут строиться по децентрализованному принципу с жестким контролем уровня потребляемой мощности каждого агрегата (рисунок 1). Критически важные узлы при этом будут иметь возможность питания от нескольких источников, включая собственные, а бортовой компьютер сможет отключать питание практически каждого потребителя.
Рис. 1. Эволюция систем электропитания автомобиля
Очевидно, что на основе традиционных электромеханических реле реализовать подобную систему весьма затруднительно, при этом уровни ее надежности, безопасности и энергопотребления будут очень низкими. Плавкие предохранители, благодаря высокой надежности, скорее всего, останутся, но только в качестве дублирующей защиты, и располагаться они будут непосредственно в защищаемых агрегатах без возможности быстрой замены.
Основой децентрализованной системы электропитания автомобиля станут специализированные силовые ключи на основе полупроводниковых элементов с интегрированными узлами измерения коммутируемых напряжений и токов, а также собственным микроконтроллером, обеспечивающим корректную автономную работу в различных режимах в соответствии с внутренними настройками. Управление такими коммутаторами будет осуществляться бортовым компьютером с помощью логических сигналов или стандартных интерфейсов, например, SPI или CAN. Полупроводниковые транзисторы переключаются намного быстрее электромеханических реле, поэтому твердотельные силовые ключи способны отключить аварийный участок намного быстрее плавкого предохранителя, а при необходимости смогут обеспечить и регулировку напряжения, подаваемого на узел, например, с помощью ШИМ-сигналов.
Следует отметить, что, несмотря на общее усложнение, децентрализованная система электропитания в конечном итоге окажется проще и дешевле традиционных централизованных систем, поскольку при использовании стандартных интерфейсов для ее создания потребуется меньшее количество проводов, а сами провода будут иметь меньшую длину. Подобный подход также приведет к улучшению уровня помехозащищенности и уменьшению уровня излучаемых помех. Кроме этого, при использовании децентрализованной системы электропитания в автомобиле может быть несколько шин с разными уровнями напряжений, что позволяет питать узлы напряжением, максимально подходящим для их работы, и обеспечить требуемый уровень надежности путем подключения критически важных агрегатов к нескольким источникам энергии.
Особенности интеллектуальных силовых ключей PROFET
На сегодняшний день из всех типов полупроводниковых приборов для коммутации низких напряжений наилучшим образом подходят кремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Обладая низким сопротивлением канала в открытом состоянии, MOSFET способны коммутировать значительные токи при уровне рассеиваемой на кристалле мощности, сопоставимом с потерями на сопротивлении контактов типового электромеханического реле. Однако при этом полевые транзисторы имеют практически нулевые затраты энергии на управление, особенно при небольших частотах переключения. К сожалению, MOSFET, особенно при коммутации цепей, имеющих потенциал отличный от нуля (ключи верхнего плеча), требуют специализированных драйверов для перезаряда входной емкости. Кроме того, полевые транзисторы очень чувствительны к перенапряжениям, возникающим в цепях затвора и стока, что создает определенные проблемы, особенно при управлении индуктивными нагрузками. Таким образом, для надежного и безопасного управления цепями питания лучше всего использовать MOSFET с интегрированными узлами управления и защиты.
Интеллектуальные силовые ключи PROFET (PROtected mosFET), предлагаемые компанией Infineon, разработаны для управления питанием низковольтных нагрузок, потребляющих ток до 40 А, и предназначены, в первую очередь, для замены плавких предохранителей и электромеханических реле, традиционно использующихся для решения этой задачи. По сравнению с электромеханическими приборами силовые ключи PROFET имеют меньший уровень рассеиваемой мощности (рисунок 2) и выдерживают до 1015 переключений, что значительно превосходит срок службы даже самого надежного реле. Отсутствие механических контактов и плавное изменение коммутируемого тока без появления электрической дуги значительно снижает уровень электромагнитных помех, создаваемых этими приборами. В них также отсутствует дребезг контактов, они нечувствительны к тряске и вибрации.
Силовые ключи PROFET являются приборами общего назначения и могут использоваться для коммутации нагрузок резистивного, индуктивного и емкостного типа в широком спектре промышленных и бытовых приложений, например, в системах питания телекоммуникационного оборудования. Однако реальная область применения этих полупроводниковых приборов намного шире, поскольку они имеют сертификаты AEC-Q100 и могут использоваться в автомобильной технике. Основными преимуществами ключей PROFET являются компактность, высокая надежность и малые потери энергии при коммутации (рисунок 3). Кроме этого, в них реализован ряд дополнительных функций, в числе которых – защита от короткого замыкания, перегрева и неправильного подключения (переполюсовки) основного источника питания. Они также содержат встроенные узлы диагностики и управления, позволяющие бортовому компьютеру или центральному процессору получать исчерпывающую информацию о состоянии коммутируемой цепи.
Рис. 2. Зависимости мощности потерь от величины коммутируемого тока электромеханических и твердотельных реле
Рис. 3. Основные преимущества силовых ключей PROFET
Линейки силовых ключей PROFET
Знакомство с интеллектуальными силовыми ключами PROFET лучше всего начать с линейки Power PROFET, представители которой являются наиболее простыми в этом семействе. Микросхемы Power PROFET содержат один силовой ключ верхнего плеча, реализованный на основе N-канального MOSFET (рисунок 4), и обеспечивают те же базовые функции, что и электромеханические реле в комбинации с плавкими предохранителями – управление нагрузкой и защиту коммутируемой цепи от перегрузки по току. Кроме этого, на кристалле микросхемы присутствуют датчики температуры, напряжения питания и тока нагрузки, а также элементы защиты от электростатических разрядов и перенапряжений в коммутируемой цепи.
Рис. 4. Структурная схема силового ключа BTS50010-1TAD
Управление нагрузкой осуществляется с помощью логических сигналов, подаваемых на вход IN, причем для подачи питания на нагрузку необходимо, чтобы уровень сигнала на этом выводе был больше 3,3 В, что позволяет подключать эти микросхемы напрямую к портам ввода-вывода большинства наиболее распространенных микроконтроллеров. Максимальное значение коммутируемого тока зависит от конкретной модели ключа. Например, микросхема BTS50010-1TAD при нормальной температуре кристалла способна длительно выдерживать ток до 40 А, при этом ее порог отключения установлен на уровне 150 А. Если же ток в силовой цепи превысит пороговое значение, то транзистор будет закрыт и зафиксирован в закрытом состоянии специальной схемой (защелкой), что функционально эквивалентно алгоритму работы плавкой вставки. Однако в отличие от плавкого предохранителя, который в подобной ситуации уже выйдет из строя, силовой ключ Power PROFET останется в рабочем состоянии, и питание на нагрузку может быть подано вновь – для этого достаточно лишь выключить и снова включить микросхему с помощью сигналов, подаваемых на вход IN.
Узнать о состоянии коммутируемой цепи можно, анализируя напряжение на аналоговом диагностическом выходе IS, к которому подключается внешний токоизмерительный резистор. В нормальном режиме работы ток, протекающий через этот вывод, пропорционален току стока силового транзистора, при этом напряжение может находиться в диапазоне от нуля до напряжения питания микросхемы VS. В аварийных режимах работы (перегрузка по току, перегрев, переполюсовка и т.д.) напряжение на этом выводе будет искусственно установлено в значение, позволяющее однозначно определить причину срабатывания защиты. Следует отметить, что использование вывода IS является опциональным, и если столь детальная диагностика в системе не требуется, его можно оставить неподключенным.
Таким образом, силовые ключи Power PROFET являются полноценной заменой реле, работающим в сочетании с плавкими предохранителями. При этом они имеют меньшие размеры, повышенную надежность, больший срок службы и меньшее энергопотребление, чем их электромеханические аналоги, обеспечивая при этом более широкую функциональность.
Рис. 5. Особенности силовых ключей Power PROFET
Дальнейшим развитием интеллектуальных ключей Power PROFET являются микросхемы PROFET+2. Представители этой линейки, выпускаемые в корпусе PG-TSDSO со вскрытой нижней площадкой для лучшего охлаждения кристалла, могут содержать от одного до четырех каналов, каждый из которых способен коммутировать ток до 20 А с порогом срабатывания защиты от перегрузки по току, достигающим 122 А.
Ключевым отличием микросхем этой линейки является два варианта поведения при обнаружении перегрузки по току. В первом (традиционном) варианте при достижении коммутируемым током порога срабатывания защиты произойдет фиксация силового транзистора в выключенном состоянии с возможностью последующего перезапуска путем подачи соответствующих сигналов управления. Во втором варианте при обнаружении перегрузки по току фиксация транзистора в закрытом состоянии произойдет не сразу, а после нескольких (обычно семи) автоматических попыток восстановления работоспособности системы. Если семь последовательных попыток подачи питания на нагрузку не увенчались успехом, сработает защелка, и аварийный канал микросхемы заблокируется.
Измерение величины тока всех нагрузок производится и анализируется непрерывно, однако информацию об их величинах в каждый момент времени можно получить только для одного из каналов. Например, в четырехканальном силовом ключе BTS7200-4EPA (рисунок 6), предназначенном для коммутации токов со средним значением до 1 А (ток срабатывания защиты от которого замыкания – 10 А), система диагностики имеет только один выход IS, к которому, как и в микросхемах линейки Power PROFET, подключается внешний токоизмерительный резистор. Выбор активного канала осуществляется путем установки соответствующих логических уровней на входах DSELx, а установив на выводе DEN уровень логического нуля, систему диагностики можно полностью отключить, при этом вывод IS перейдет в высокоимпедансное состояние.
Рис. 6. Структурная схема четырехканального силового ключа BTS7200-4EPA
Следует отметить, что, несмотря на то, что порог срабатывания защиты от перегрузки по току жестко установлен внутри микросхем, при необходимости его можно уменьшить. Это можно реализовать, например, с помощью внешнего микроконтроллера, который будет анализировать напряжение на выводе IS и при достижении им критического значения будет выключать аварийный канал путем установки сигнала с низким логическим уровнем на соответствующем выводе INx.
Как и микросхемы линейки Power PROFET, силовые ключи PROFET+2 обеспечивают полный комплекс всех необходимых защит, в том числе и защиту от перегрева, перенапряжения, переполюсовки, отключения нагрузки и обрыва земли. При этом из-за меньшей величины коммутируемого тока микросхемы PROFET+2 выпускаются в более компактных корпусах, что позволяет дополнительно сэкономить место на печатной плате. Интеллектуальные силовые ключи PROFET+2 могут использоваться для коммутации нагрузок небольшой мощности в системах электропитания постоянного тока с напряжением до 28 В, в том числе, благодаря наличию сертификатов AEC-Q100, и в автомобильной технике (рисунок 7).
Рис. 7. Примеры применения микросхем PROFET+2 в автомобильной технике
Функциональность и технические характеристики микросхем PROFET значительно выше, чем у их электромеханических аналогов, однако в ряде случаев этого может быть недостаточно. К сожалению, дальнейшее расширение списка поддерживаемых функций привело бы к неминуемому увеличению количества выводов и усложнению алгоритма управления этим микросхемами. Поэтому единственным вариантом увеличения гибкости силовых ключей является внедрение в них одного из стандартных интерфейсов, с помощью которого можно обеспечить полноценное управление всеми функциями. Именно такими микросхемами и являются силовые ключи линейки SPOC+2, поддерживающие возможность настройки и управления с помощью интерфейса SPI.
Силовые ключи SPOC+2 выпускаются в корпусах PG-TSDSO и могут содержать четыре или шесть каналов, средний выходной ток которых достигает 14 A. Основная настройка и управление микросхемами SPOC+2 осуществляется по интерфейсу SPI, при этом, благодаря наличию входа выбора кристалла CSN, по одной линии SPI можно управлять несколькими подобными микросхемами.
Интерфейс SPI является не единственным средством управления – часть каналов может управляться традиционным способом с помощью логических сигналов, подаваемых на входы INx. Кроме того, после установки высокого логического уровня на выводе LHI микросхема перейдет в защищенный режим ограниченной функциональности (Limp Home Mode), при котором все внутренние регистры будут установлены в значение по умолчанию без возможности изменения их содержимого по интерфейсу SPI (функция чтения содержимого при этом будет доступна). В режиме Limp Home Mode управление ключами возможно только с помощью входов INx без возможности внешней диагностики состояния каналов, при этом базовые защитные функции силовых каналов (защита от перегрузки по току, перегрева и перенапряжения) будут активны.
Следует отметить, что микросхемы SPOC+2 могут управлять по интерфейсу SPI не только собственными силовыми каналами. В некоторых моделях силовых ключей присутствуют специальные драйверы (External Driver Channels), с помощью которых через интерфейс SPI можно управлять внешними силовыми ключами PROFET, в которых подобная функция изначально не предусмотрена (рисунок 8). Причем, благодаря возможности формирования сигналов управления механизмом диагностики (DEN), выходы IS микросхем SPOC+2 и PROFET можно объединить (неактивные каналы при этом переводятся в высокоимпедансное состояние), что позволит контролировать величины токов всех потребителей с помощью единственного канала АЦП.
Рис. 8. Пример применения микросхем SPOC + 2 совместно с ключами PROFET
Примеры применения интеллектуальных силовых ключей
Один из вариантов применения интеллектуальных силовых ключей Infineon в системах электропитания автомобилей будущего показан на рисунке (рисунок 9). При создании этой системы особое внимание уделено питанию критически важных узлов, отвечающих за безопасность управления автомобилем, таких как приводы рулевого управления, антиблокировочная система колес, лидары, а также питанию бортового компьютера.
Бесперебойное питание этих узлов обеспечивается путем подключения 12-вольтовой шины гарантированного питания (обозначена зеленой линией) к двум источникам электрической энергии: аккумуляторным батареям с напряжением 12 В и 48 В, причем 48-вольтовый аккумулятор подключается с помощью отдельного понижающего преобразователя. Выбор активного источника энергии осуществляется с помощью мощных силовых ключей на основе N-канальных MOSFET, включенных по схеме монтажного ИЛИ, что гарантирует наличие напряжение на этой шине, если хотя бы один из источников энергии будет в рабочем состоянии. Причем транзисторы включаются таким образом, чтобы напряжение на эту шину через паразитные антипараллельные диоды MOSFET подавалось даже в случае, когда каналы этих ключей находятся в непроводящем состоянии.
Нагрузки, не требующие гарантированного питания и не критичные к полярности питающего напряжения, такие как обогреватели или клаксон, с помощью ключей PROFET подключаются непосредственно к незащищенной 12-вольтовой шине, обозначенной красным цветом. Использование ключей PROFET дает возможность бортовому компьютеру не только управлять питанием, но и контролировать уровень потребляемого тока каждого узла, что позволяет быстро оценить общий уровень работоспособности системы.
Рис. 9. Пример системы электропитания автомобиля будущего на основе силовых ключей Infineon
Питание агрегатов, для которых даже кратковременная подача напряжения неправильной полярности может привести к опасным последствиям, осуществляется от отдельной линии (обозначена желтым цветом). Эта шина защищена от переполюсовки с помощью мощного силового ключа на основе N-канального MOSFET, включенного таким образом, чтобы при ошибочном подключении 12-вольтового аккумулятора к паразитному антипараллельному диоду было приложено обратное напряжение, и он находился в закрытом состоянии. Питание на узлы при этом также может подаваться с помощью ключей PROFET, причем для критически важных узлов, например, для стартера, может использоваться два последовательно соединенных коммутатора, например, на основе обычного MOSFET и PROFET, что позволяет гарантированно отключить этот узел в случае пробоя одного из силовых приборов.
Поскольку для включения N-канальных MOSFET необходимо, чтобы потенциал затвора был больше потенциала истока, то для надежного управления этим типом полупроводниковых приборов лучше всего использовать специализированные решения, одним из которых является разработанный компанией Infineon драйвер транзисторов верхнего плеча AUIR3241S. Эта микросхема имеет в своем составе интегрированный повышающий импульсный преобразователь, с помощью которого можно сформировать требуемое напряжение вольтдобавки. Оригинальная схемотехника выходного каскада AUIR3241S позволяет сформировать плавающий потенциал истока управляемого транзистора и использовать эту микросхему для управления MOSFET верхнего плеча, включенного по схеме как с общим истоком, так и с общим стоком. Кроме этого она также позволяет управлять двумя MOSFET, включенными по встречно-последовательной схеме (рисунок 10), позволяющей как пропускать, так и блокировать протекание тока в обоих направлениях.
Рис. 10. Пример использования микросхемы AUIR3241S для управления ключом, позволяющим блокировать протекание тока в обоих направлениях
Заключение
Переход на децентрализованный принцип построения системы электропитания автомобильной техники с отказом от использования электромеханических компонентов и полным контролем уровня энергопотребления является объективной необходимостью, поскольку в противном случае автомобиль просто не сможет соответствовать актуальным требованиям, предъявляемым к технике этого класса. Конечно, эта задача может иметь множество решений, в том числе и создание коммутирующих узлов на основе дискретных электронных компонентов общего назначения. Однако, как показывает практика, использование специализированных решений, в данном случае – интеллектуальных силовых ключей PROFET, разработанных компанией Infineon – позволит не только не тратить время на решение уже решенных задач, но и обеспечить необходимый уровень качества, подтверждаемый соответствующими сертификатами.
