Acht auf einen Streich Achtfach-Multiplexer zur Ansteuerung von High-Side-Treibern

Ein neuer Achtfach-Multiplexer von STMicroelectronics erleichtert die Steuerung und synchrone Diagnose von High-Side-Driver-Bausteinen (HSDs) der Familien M0-5, M0-5E und M0-5T. Der Baustein ist in der Zahl seiner PWM-Kanäle, seinen Diagnosefunktionen und seiner Zuverlässigkeit auf die wachsenden Anforderungen von Beleuchtungsanwendungen im Automotive-Bereich abgestimmt. Die Arbeitsbelastung und die erforder­liche Pin-Anzahl des Mikrocontrollers werden minimiert, gleichzeitig bleibt aber die volle Flexibilität hinsichtlich der Dimensionierung der Leistungs-stufen und Stromversorgungsleitungen erhalten.

Dass die Zahl der auch als High Side Driver bezeichneten Halbleiter-Relais in den Body-Control-Modulen (BCMs) von Kraftfahrzeugen immer größer wird, hat mehrere Gründe. Zum einen ersetzt man elektromechanische Relais immer mehr durch kontaktlose Lösungen auf Halbleiterbasis, um Kosten und Gewicht zu sparen und die Diagnosemöglichkeiten zu verbessern. Zum anderen lassen sich die Module für Front- und Heckbeleuchtung in einem einzigen BCM kombinieren. Module mit 40 HSD-Kanälen für Pkws oder 80 Kanälen für Lkws sind deshalb keine Seltenheit. Abgesehen von der großen Kanalzahl gibt es noch weitere Anforderungen:

  • HSD-Ansteuerung per PWM (Pulsweitenmodulation): Diese Ansteuermethode hat mehrere Vorteile. So werden Schwankungen der Bordnetzspannung kompensiert, wodurch LEDs und Glühlampen mit gleich bleibender Helligkeit leuchten. Gleichzeitig wird der Verschleiß der Glühwendeln von Glühlampen und ein Überhitzen von LEDs durch hohe Bordnetzspannungen vermieden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, eine Glühlampe oder einen LED-Cluster für zwei Funktionen zu nutzen (z.B. Heck- und Bremsleuchte oder Tagfahrlicht und Standlicht).
  • Detaillierte, zuverlässige HSD-Diagnose: Die HSDs geben entweder eine digitale Statusinformation oder ein Stromabtastsignal aus, welches (abgesehen von Störungen oder Überlastungen) proportional zum Ausgangsstrom ist. Im Regelfall muss der Mikrocontroller zwischen den verschiedenen Fehlerzuständen unterscheiden: Überlastung, Kurzschluss zur Masse, Übertemperatur, Open-Load-Fehler im eingeschalteten Zustand, Open-Load-Fehler im ausgeschalteten Zustand, Kurzschluss zur Batterie. Die letztgenannte Anforderung birgt noch größere Herausforderungen, wenn sie mit einer phasenverschobenen PWM-Ansteuerung kombiniert wird. Abgesehen davon muss die Diagnosestrategie so betriebssicher sein, dass keine falschen Störungsmeldungen generiert werden (z.B. Auslösung einer Überlastwarnung durch den hohen Einschaltstrom einer Glühlampe. Zudem sollte die Diagnosefunktion auch falsche Störungsmeldungen ausfiltern, die durch vorübergehende Phänomene (z.B. ISO-Pulse) hervorgerufen werden können.
  • Kompatibilität zwischen Glühlampen und LEDs: Der Einsatz von LEDs in allgemeinen Beleuchtungsanwendungen, speziell aber im Automotive-Bereich, nimmt stetig zu. Treibende Kräfte sind hier u.a. die größere Bauraumflexibilität, die lange Lebensdauer, der hohe Wirkungsgrad und die kurze Einschaltzeit. Um Entwicklungs- und Produktionskosten zu sparen, sollte ein BCM in mehr als nur einem Fahrzeugmodell eingesetzt werden können. Teilweise werden LEDs auch als Sonderausstattung angeboten, während das Basismodell mit Glühlampen bestückt ist. Glühlampen und LEDs sollten deshalb bezüglich der Ansteuerung und Diagnose kompatibel sein. Eine klassische Lösung ist die Verwendung von HSDs mit Stromabtastung und schaltbaren Stromabtast-Widerständen, damit die stark differierenden Ausgangsströme mit hinreichender Genauigkeit überwacht werden können.
  • Implementierung einer Ausfallsicherheits-Strategie gemäß ISO 26262 (ASIL B): Da BCMs auch sicherheitsrelevante Verbraucher ansteuern wie zum Beispiel Stand- , Fahr- und Bremslichter sowie Warnblinkleuchten, ist vom Entwickler eine gewisse Redundanz vorzusehen, damit die Funktionsfähigkeit beim Auftreten eines einzelnen Fehlers gewahrt bleibt.

Diese Anforderungsliste zeigt, dass die Entwicklung eines BCM nach neuestem Stand der Technik viele Herausforderungen birgt: PWM-Ansteuerung und Diagnosefunktionen verursachen eine hohe Auslastung des Mikrocontrollers, die große Zahl von HSD-Kanälen macht viele Mikrocontroller-Pins erforderlich, und die Partitionierung der HSDs muss die unterschiedliche Stromaufnahme und Betriebsspannung sowie die verschiedenen Varianten der einzelnen Verbraucher berücksichtigen.