IC zur Schrittmotor-Ansteuerung mit integriertem LIN-Controller
Mechatronik-Lösungen für Automotive-Netzwerke
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Mechatronik-Lösungen für Automotive-Netzwerke
Der AMI3062x ist ein monolithisches IC, das in AMI Semiconductors Smart-Power-Technologie I2T (Intelligent Interface Technology) gefertigt wurde. I2T ermöglicht auf nur einem Baustein die Integration hochpräziser Analogschaltkreise mit niedrigen, mittleren und hohen Spannungen, nicht-flüchtiger Speicher und digitaler Schaltkreise mittlerer Komplexität. Der in Bild 2 dargestellte Baustein bietet H-Brücken-MOSFET-Treiber mit 40-V-Transis-toren und niedrigem RDS(on), womit Motorströme bis zu 800 mA steuerbar sind. Entwicklungswerkzeuge zur Smart-Power-Technologie bieten dem Entwickler die Flexibilität, kundenspezifische Busbefehle für die Motorsteuerung zu entwickeln. Damit beschleunigt sich die Applikationsentwicklung, und der Signalgebungsaufwand auf dem Bus wird verringert.
Module, die höhere Anforderungen an eine Motorsteuerung stellen, können zusätzlich externe MOSFETs erforderlich machen, welche die I2T-integrierten MOSFETs als vorgeschaltete Treiberstufe verwenden. Ein Modul, das eine komplexere Signalisierung erfordert, kann einen Mikroprozessor erforderlich machen. Ein konventioneller 8-/16-/32-bit-Prozessor in Kombination mit einer Smart-Power- oder einer diskreten Lösung auf der Basis von Standard-Digitalbausteinen und einer Leistungselektronikstufe stellt eine alternative Implementierung dar.
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Höhere Integration und Intelligenz
Eine System-on-Chip- Lösung (SoC) bietet maximale Zuverlässigkeit, eine einfache Montage, eine geringe Stückliste und lange Verfügbarkeit. Dabei ist eine Technologie erforderlich, die Embedded-Mikroprozessoren mit hochpräzisen Analog-, komplexen Digitalschaltkreisen und High-Voltage-Funktionalität vereint. Die bipolare CMOS-DMOS-Technologie (BCDMOS) ermöglicht, dass digitale CMOS-Schaltkreise mit Mikrocontroller-Cores und On-Chip-Speicher ausgestattet werden können – und das zusammen mit isolierten DMOS-Transistoren, die Halb- oder Vollbrücken-High-Voltage-Motortreiber implementieren. Gütefaktoren (FOM, Figure of Merit) für eine geeignete BCDMOS-Technologie enthalten die maximale Spannung für die DMOS-Transistoren, die Größe des verfügbaren On-Chip-Speichers und die Leistungsmerkmale des Prozessor-Cores. Um sowohl 14- als auch zukünftige 42-V-Automotive-Elektrikstandards zu erfüllen, sollte die Auslegung der DMOS-Transistoren bis zu 80 V Nennspannung erfolgen.
AMI Semiconductors I3T-BCDMOS-Technologie bietet dabei digitale CMOS-Schaltkreise in 0,35-µm-Technologie, mit der sich eine Reihe von Prozessor-Cores bis zu 32 bit (z.B. ARM7TDMI) implementieren lässt. OTP-Speicher, bis zu 64 Kbyte Embedded-Flash zur Code-Speicherung und/oder bis zu 1 Kbyte EEPROM zur Datenspeicherung stehen zur Verfügung. Präzise Analogschaltkreise auf dem Chip einschließlich Bandlückenfilter, A/D- und D/A-Wandler sowie Digital-IP einschließlich LIN-Controller vereinfachen die Entwicklungsarbeit für Tier-One-Zulieferer.
Multichip-Modullösung
Ein Multichip-Modul mit einer Kombination aus Smart-Power-, Digital- und Analog-Technologien bietet Entwicklern zusätzlichen Spielraum bei der Spezifizierung eines noch flexibleren Subsystems mit mehr Speicher, z.B. für eine komplexe mehrachsige Antriebslösung. Die CPU-Subsystembauteile können dann in einem kleineren Design gefertigt werden. Trotz der zusätzlichen Verarbeitungsbandbreite führt die kleinere Die-Größe zu geringeren Kosten.
Die Montage einer Multichip-Lösung als Teil eines Mechatronik-Moduls ist allerdings sehr anspruchsvoll. Streng überwachte System-in-Package-Techniken (SiP) sind als Teil einer QS9000-zertifizierten Fertigung erforderlich, um die hohen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards im Automotive-Bereich zu erfüllen. Systemintegratoren müssen daher zwischen der zusätzlichen Flexibilität des Multichip-Ansatzes und den Risiken bei der Zuverlässigkeit von SiP-Entwicklung und -Montage abwägen.
Wärmeeinfluss auf Partitionierung und Gehäuse
Beim optimalen Aufbau einer Mechatronik-Lösung sind auch die Wärmeentwicklung durch den Motorbetrieb sowie die Verluste durch RDS(on) und das Schalten innerhalb der Leistungs-MOSFETs zu berücksichtigen. Eine monolithische Implementierung kann dazu führen, dass die Digitalschaltkreise, einschließlich MCU und Speicher, über der vom Hersteller empfohlenen maximalen Betriebstemperatur arbeiten. Die Qualifizierung der Digitalprozesstechnologie für hohe Temperaturen bietet sich hier als Lösung. Neue Gehäusearten ermöglichen aber auch, dass Wärme über die isolierten DMOS-Transistoren in das SoC-Substrat abgeleitet wird. Um Übertemperaturen und die Zerstörung digitaler Bestandteile zu vermeiden, kann sich dies als ebenso effektiv erweisen. In der Praxis kommt meist eine Kombination aus beiden Techniken zum Tragen.
Mechatronik-Lösungen bieten eindeutige Vorteile bei der Anbindung an Automotive-LIN-Infrastrukturen - sowohl für Entwickler von Subsystemen, die einen Mehrwert liefern wollen, als auch für Fahrzeughersteller, die eine schnellere Markteinführung, geringere Kosten und Verkaufsanreize für neue Fahrzeugmodelle erzielen wollen. Autokäufer profitieren dabei von einer höheren Zuverlässigkeit, von mehr Komfortfunktionen an Bord und einem höheren Fahrkomfort sowie von neuen Modellen mit weiteren Verbesserungen.
Um die elektronischen Steuerungsfunktionen eines Mechatronik-Moduls zu implementieren, stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Wesentliche Faktoren sind Leistungsanforderungen, Kosten, Flexibilität, Zuverlässigkeit und thermische Eigenschaften. Hinzu kommt die richtige Wahl eines Partners, der das nötige Know-how auf jedem der erforderlichen Technologiegebiete mit sich bringt. Nur so lässt sich eine geeignete Architektur entwickeln, die sämtliche Systemanforderungen erfüllt. sj
 | Bart De Cock studierte Elektrotechnik in Brüssel. Bei AMI Semiconductor ist er als Product Manager für Bauelemente zur Schrittmotor-Ansteuerung verantwortlich. bart_decock@amis.com |
 | Herve Branquart studierte Elektronik, Mikroelektronik und Software Engineering am Institut Superieur d’Electronique de Nord (ISEN) im französischen Lille. Bei AMI Semiconductor ist er als Automotive Strategic Marketing Manager angestellt. herve_branquart@amis.com |
Mechatronik-Module ermöglichen die Verlagerung der heute erforderlichen Intelligenz in Richtung Motor. Sie enthalten Schnittstellen, Steuerungs- und Treiberfunktionen als auch den Motor selbst – und das in einer abgeschlossenen Einheit (Bild 1). Damit reduziert sich der Bauteilaufwand des Controller-Boards auf den Prozessor und die Busschnittstelle, wie z.B. den dreiadrigen LIN-Bus (Local Interconnect Network). LIN wird von einer Vielzahl von Automotive-Herstellern verwendet und verringert den Verdrahtungsaufwand als auch die Signalverteilung in Fahrzeugen. Als Verbindungslösung nach Industriestandard unterstützt LIN die Integration einer Vielzahl von Mechatronik-Modulen in Fahrzeuge, indem eine Standard-LIN-Schnittstelle als auch die Steuerungs- und Treiberfunktionen innerhalb des Moduls untergebracht sind.
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