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Effiziente System-ICs für Türanwendungen

Bereit für neue Aufgaben

27. März 2018, 13:00 Uhr | Von Giovanni Torrisi, Fritz Burkhardt und Manuel Gärtner

Weiterentwicklungen in der Automobilbranche hinsichtlich zusätzlicher Funktionen haben direkte Auswirkung auf alle Komponenten. Zusätzlich wachsen die Anforderungen der Automobilhersteller sukzessive. STMicroelectronics entwickelte eine neue Bauteilfamilie – kompakt, effizient und leistungsstark.

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Die Elektrifizierung stellt seit Jahren einen der wichtigsten Trends der Automobilbranche dar. Dabei ist unter Elektrifizierung weit mehr zu verstehen, als die reine Fortbewegung mit elektrischem Antrieb. Vielmehr fällt darunter auch der Einsatz elektrischer und elektronischer Komponenten in zusätzlichen Funktionen beziehungsweise als Ersatz für elektromechanische Bauteile.

Eine umfangreiche Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge ist auch für das autonome Fahren erforderlich, wobei langfristig den sogenannten »Robo-Cabs« ein großer Anteil an der Fahrzeugflotte vorhergesagt wird. In dem Fahrzeugkonzept sind nahezu alle Funktionen im Fahrzeuginnenraum elektrifiziert. Hierzu zählen beispielsweise automatisch öffnende und schließende Türen, die Hindernisse in den Schwenkbereichen selbständig erkennen und Kollisionen entsprechend vermeiden. Die Systeme berücksichtigen dabei sowohl andere geparkte Fahrzeuge als auch Fahrradfahrer oder Fußgänger, die sich im Nahbereich des Autos befinden oder sich dem Fahrzeug nähern.

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Gesteigerte Anforderungen

Maßgeschneiderte Halbleiterprodukte sind für die oben genannten Trends erforderlich, um sowohl fortschrittliche Konzepte zur Energieeinsparung als auch Treiber für elektrische Lasten ansteuern zu können. Die Energiespanne reicht von wenigen Milliwatt für LEDs bis zu mehr als 200 W für leistungsstarke Gleichstrommotoren. Zusätzlich werden umfangreiche Möglichkeiten zur Vernetzung in CAN- und LIN-Netzwerken benötigt.

Die Definition der passenden Elektronik-Architektur, welche die gewünschten Funktionen mit geringen Kosten und hoher Qualität gewährleistet, ist eine große Herausforderung für die Automobilhersteller. Zudem gewinnt die Skalierbarkeit der Elektronik, von den unteren bis zu den oberen Fahrzeugklassen, zunehmend an Bedeutung. Da Kosten und Komplexität sowohl für Hardware- als auch für Software-Entwicklungen ansteigen, wird es für die Zulieferer immer schwieriger, den Anforderungen der OEMs gerecht zu werden.

Skalierbarer Einsatz in der Türelektronik

Eine beispielhafte Anwendung im Fahrzeug, die den aktuellen Trend widerspiegelt und von dem skalierbaren Ansatz profitiert, ist die Türelektronik (Bild 1).
Für die umfangreichen Anwendungen im Türbereich stehen applikationsspezifische ICs zur Verfügung, die alle dargestellten Funktionen abdecken. Die Produktfamilien sind durch ein skalierbares Treiberkonzept gekennzeichnet, sodass, je nach Ausstattungsvariante des jeweiligen Fahrzeugs, der entsprechende Baustein zur Verfügung steht.

Dabei sind die Bauelemente Hardware- und Software-kompatibel, wodurch sich der Entwicklungsaufwand beim Steuergerätehersteller reduziert.

Seit mehr als zehn Jahren wurden zahlreiche Generationen der System-IC-Familien entwickelt, neue Funktionen ergänzt, Gehäusetechniken verfeinert und auch Fertigungsprozesse auf den neuesten Stand gebracht. Bei all den Bestrebungen lautete das übergeordnete Ziel: Gemeinsam mit den unterschiedlichen Systemlieferanten die aktuellen Anforderungen der Automobilhersteller bestmöglich erfüllen.

Technische Herausforderungen

Neben den Aktuatortreibern und Sicherheitsmechanismen erfordern heutige Steuergeräte auch eine fortschrittliche Stromversorgung (inklusive Stand-by- und Sleep-Funktionen) sowie Sende- und Empfangsmöglichkeiten für Bussysteme, wie beispielsweise High-Speed-CAN und LIN. Die unterschiedlichen Funktionen wurden bislang in einem separaten Power-Management beziehungsweise System-Basis-Chip abgebildet. Typischerweise bilden solche ICs nachfolgende Funktionen ab:

Versorgung des Mikrocontrollers sowie externer Lasten, wie beispielsweise Sensoren, durch zwei Spannungsregler Ruhestromkonzepte mit programmierbaren Möglichkeiten zum Wecken des Systems über lokale oder externe Quellen.

Für beide Produktgruppen, Aktuatortreiber und System-Basis-Chips (Bild 2), wurden optimierte BCD (Bipolar, CMOS and DMOS)-Techniken eingesetzt. Die Strukturbreiten der Techniken betragen für die Treiber 0,7 µm und für die System-Basis-Chips 0,57 µm.

Durch die zusätzlichen Trends im Automobilbereich wurde es erforderlich, eine immer größere Vielfalt an Lasten effizient zu steuern. Grundsätzlich rücken, aufgrund der höheren Anzahl an Verbrauchern, nachfolgende Anforderungen in den Fokus der Entwickler:

Geringere Stromaufnahme
Kleinere Bauform
Geringeres Gewicht

Daher ist mittlerweile ein hoher Integrationsgrad erforderlich, wodurch sich die Anzahl der Bausteine und damit auch der gesamte Platzbedarf reduzieren.
Die fortschrittliche und proprietäre BCD8S-Automotive-Halbleitertechnik von STMicroelectronics weist Strukturbreiten von 0,16 µm auf. Das Ein-Chip-Produkt vereint das Power-Management, die funktionale Sicherheit und die Ansteuerung diverser Lasten in der Fahrzeugtür.

Um den thermischen Anforderungen hinsichtlich Power-Management und Leistungsendstufen auf einem Siliziumchip gerecht zu werden, ermöglichen die neuen Bausteine im Vergleich zu vorherigen Produkten deutlich höhere Betriebstemperaturen. Als maximale operative Sperrschicht-Betriebstemperatur ist standardmäßig ein Wert von 175 °C spezifiziert, gemäß OEM-Lastenheft.

Kompakte Bauelemente

Die nachfolgenden Türsteuergeräte-ICs von STMicroelectronics ermöglichen den Entwicklern eine platzsparende Integration bei gesteigerter Zuverlässigkeit und Energieeffizienz:

L99DZ100G und L99DZ100GP (Bild 3) für Fronttüren
L99DZ120 für Fondtüren

Bei früheren Türsteuergeräte-Generationen ASSPs (Application Specific Standard Products) waren für den Funktionsumfang mehrere Bauteile nötig:

TQFP64 als Aktuatortreiber mit einer Bausteingröße von 12 x 12 mm²
Power-Management-IC im Power SSO-36-Gehäuse und einer Größe von 10 x 10 mm²

Die neueste Generation des Türsteuergeräte-ICs leistet den identischen Funktionsumfang mit einem einzigen Baustein im LQFP64-Gehäuse (Bild 4).

Die Tatsache kann entscheidend dazu beitragen, den platzsparenden Bauraum-Anforderungen gerecht zu werden. Der reduzierte Platzbedarf wurde einerseits durch Innovationen auf Silizium-Ebene und andererseits durch die Gehäusetechnik ermöglicht, mit der hohe Spitzenströme und Leistungsdichten erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Bausteine ist die Software-Kompatibilität, wodurch die Komponenten zur Vereinfachung der Entwicklung beitragen und eine schnelle Markteinführung ermöglichen.

Die für Automobilanwendungen qualifizierte BCD8S-Automotive-Technik spielt bei der Realisierung der Single-Chip-Produkte eine zentrale Rolle. Mit einer Vielzahl an Funktionen, wie beispielsweise integrierten Halbbrücken und High-Side-Treibern für Ströme bis zu 7,5 A, ist sie für Systeme im Bereich der Türsteuergeräte geeignet. Zu den verfügbaren Funktionen zählen außerdem High-Speed-CAN-Sender-Empfänger, LIN 2.2a (SAE J2602)-Schnittstellen und diverse Kontroll- und Schutzmechanismen. Der L99DZ100GP verfügt zudem über eine selektive Weckfunktion über den CAN-Bus gemäss ISO 11898. Da nicht benötigte Steuergeräte einzeln deaktiviert und bei Bedarf wieder geweckt werden können, kann zusätzlich Energie eingespart werden.

Beide Bausteinvarianten für die vorderen Fahrzeugtüren enthalten integrierte MOSFET-Halbbrücken, für bis zu fünf Gleichstrommotoren, sowie einen Treiber für eine externe N-Kanal-MOSFET-H-Brücke. Zusätzlich sind acht LED-Ausgänge und zwei Treiber für Glühlampen integriert. Neu hinzugekommen ist ein integrierter Treiber für einen externen N-Kanal-MOSFET, der die Spiegelheizung versorgt. Durch die niederohmige Ansteuerung wird ein schnelles Enteisen des Spiegelglases erzielt. Die Ansteuerung und der Schutz eines dimmbaren, elektrochromen Spiegelglases erfolgt durch ein Serial-Peripheral-Interface (SPI)-programmierbares Kontrollmodul, welches auf die bekannten elektrochromatischen Spiegelgläser optimiert ist. Zwei Spannungsregler, Watchdog, Timer und umfangreiche Schutzmechanismen komplettieren den Funktionsumfang. Der L99DZ120 ist auf den Einsatz in hinteren Türen zugeschnitten und bietet vergleichbare Funktionen.