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Aktive Bauelemente ersetzen Relais in Türmodulen

Frischluft-Zufuhr schnell und einfach

11. Mai 2015, 14:19 Uhr | von Manuel Gärtner und Giovanni Torrisi

Türmodule in den Autos bieten vielfältige und komfortable Funktionen.

In der zur Komfortsteigerung in Automobilen dienenden Elektronik sind Türmodule weit verbreitet, denn sie bieten den Fahrzeuginsassen vielfältige neue und komfortable Funktionen. Moderne Türmodule steuern eine große Anzahl an elektrische Lasten an und verfügen gleichzeitig über immer mehr Sicherheitsfunktionen

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Ein typisches Modul ist für die Ansteuerung der Fensterheber, der Außenspiegel (mit Spiegelheizung, abdunkelbarem elektrochromem Glas sowie Motoren zum Verstellen und Einklappen der Spiegel), der Türverriegelung und einer etwaigen Zuziehhilfe sowie der Einstiegs- und Außenleuchten und Blinkleuchten zuständig. Abgesehen von der Ansteuerung der Fensterheber mit einer reinen Halbleiterlösung hat STMicroelectronics in den vergangenen Jahren leistungsfähige Application-Specific Standard Products (ASSPs) zum Ansteuern all dieser Verbraucher entwickelt. Diese Halbleiterbauelemente weisen im Vergleich zu elektromechanischen Relais zahlreiche Vorteile auf. Sie benötigen beispielsweise weniger Leiterplattenfläche, zeichnen sich durch hochkarätige Diagnosefunktionen und eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit aus und verfügen über eine hohe Langzeit-Zuverlässigkeit. Darüber hinaus optimieren sie die Systemkosten, weil eine große Zahl Verbraucher von einzelnen, leistungsstarken Halbleiterbausteinen angesteuert wird.

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Bild 1 zeigt eine typische Türmodul-Topologie, wie sie weit verbreitet anzutreffen ist. Zu sehen sind die verschiedenen Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) eines dezentralisierten Türmodul-Ansatzes zur Ansteuerung von Front- und Hecktüren sowie die Verbindung der verschiedenen ECUs über ein CAN/LIN-Netzwerk. Eine skalierbare Lösung ist unabdingbar, um den verschiedenen Ausstattungsvarianten eines Fahrzeugs gerecht zu werden. Die Unterstützung unterschiedlicher Fronttür-Ausführungen von der Einstiegsvariante bis zur Luxusausführung sowie der hinteren Türen wird durch die ASSP-Familien gewährleistet, die STMicroelectronics in den letzten zehn Jahren entwickelt hat. Die Bauelemente dieses skalierbaren Konzepts sind weitgehend Hard- und Software-kompatibel. Das wiederum ist überaus wichtig zur Minimierung des Entwicklungsaufwands für ein Türmodul-Plattformkonzept, das sich für verschiedene Ausstattungsvarianten vom Low End bis zum High End eignet.

Der elektrische Fensterheber war bis vor kurzer Zeit der einzige mit einem überwiegend elektromechanischen Relais angesteuerte Verbraucher in Fahrzeugtüren, für den es bisher noch keine konkurrenzfähige Halbleiterlösung gab. Der Laststrom zum Heben des Fensters liegt bei etwa 10 bis 15 A, solange sich das Fenster bewegt. Beim Anlaufen oder bei blockiertem Fenster sind jedoch Werte von über 30 bis 40 A möglich. Das ist ein anspruchsvoller Grenzfall für reine Halbleiter-Lösungen. In der Vergangenheit waren Standard-Halbleiter hier nicht wettbewerbsfähig, weil bis dato ausschließlich große und teure Bausteine verfügbar waren, die keine optimierte Lösung beherbergten. Aktueller Trend, der sich in High-End-Fahrzeugen bereits etabliert hat, sind durch Pulsbreitenmodulation (Pulse-Width Modulation, PWM) angesteuerte Fensterheber. Elektromechanische Relais geraten hier an ihre Grenzen, denn die Zahl der Schaltzyklen liegt weit außerhalb der spezifizierten Grenzen für ein mechanisches Bauteil. Der Markt verlangte deshalb nach einer neuen, optimierten Halbleiterlösung, bei der die Zykluszahl keiner Beschränkung unterliegt.

Vorteile der PWM-Ansteuerung

Die PWM-Ansteuerung wird für die visuelle Wahrnehmung und bestimmte Spezial-Features gewünscht wie etwa ein sanftes Starten und Anhalten des Fensterhebers und eine von der Bordnetzspannung unabhängige Hebegeschwindigkeit. Auch das Geräusch, das immer dann entsteht, wenn sich das Fenster mit voller Geschwindigkeit dem Endanschlag nähert und sich das Relais mit einem lauten Klick hören lässt, wird als störend empfunden. Werden diese Lärmquellen eliminiert, muss zudem weniger Aufwand für die Lärmdämmung getrieben werden. Man kann also Dämmungsmaterial einsparen und so die Kosten und das Gewicht reduzieren. Schließlich verlangt der Gesetzgeber die Einhaltung eines bestimmten Maximaldrehmoments für die Komfortschließfunktion. Damit einher geht die Anwendung eines bestimmten PWM-Tastverhältnisses bei hoher Versorgungsspannung, um die Kräfte während des Einklemmens zu begrenzen.

Aus all diesen Gründen wurde die Türmodul-Treiberfamilie von STMicroelectronics überarbeitet und durch zwei neue Bausteine ergänzt (Bild 2). Diese Bauelemente enthalten einen MOSFET-H-Brücken-Treiber. Während der Baustein L99DZ80 für Fronttüren moderner Bauart optimiert ist, wurde seine erste Variante L99DZ81 für Fondtüren und einfache Fronttüren maßgeschneidert. Die skalierbare L99DZ8x-Familie basiert auf den IPs von ST. Von 2003 bis 2014 wurden mehr als 200 Millionen Türmodul-Bauelemente von ST abgesetzt. Zur Anpassung an neue, wechselnde Anforderungen wurden sämtliche IPs so aktualisiert, dass sie den neuen Normen entsprechen. Unter anderem wurde das EMV-Verhalten optimiert und die Leistungsstufen sind programmierbar, um Glühlampen und LEDs (je nach der gewählten Ausstattungsvariante) mit den gleichen Ausgangsstufen ansteuern zu können, ohne dass in Sachen Schutz und Diagnose irgendwelche Kompromisse eingegangen werden müssten. Die LED-Ausgänge sind mit unabhängigen, programmierbaren PWM-Generatoren ausgestattet, um das Dimmen oder das Einstellen der Helligkeit zu ermöglichen. Die verschiedenen vorhandenen und marktbekannten EC-Gläser werden unterstützt.