EMV-Verhalten verbessern ADAS erfordern Schaltregler mit geringen Emissionen

Richtige Applikationen für störungsfreie Fahrerassistenzsysteme.
Richtige Applikationen für störungsfreie Fahrerassistenzsysteme.

Fahrerassistenzsysteme – auf dem Weg zum autonomen Fahren – nehmen im Auto immer mehr zu. Für die Systeme sind Bausteine vonnöten, die keine Störungen im System verursachen. Analog Devices hat hierfür den monolithischen synchronen Abwärtsregler LT8650S entwickelt.

Fahrerassistenzsysteme (ADAS, Advanced Driver Assistance Systems) erhöhen die Fahrsicherheit und warnen den Fahrer vor Objekten in der Umgebung: Fußgängern, Radfahrern oder anderen Fahrzeugen in gefährlicher Nähe. Darüber hinaus bieten diese Systeme typischerweise dynamische Merkmale wie Adaptive Cruise Control, Totwinkelerkennung, Spurhalteassistent, automatisches Bremsen, Traktionssteuerung, Nachtsicht und Erkennen der Ermüdung des Fahrers.

Die Nutzer fokussieren sich mehr und mehr auf Sicherheit und Komfort beim Fahren. Zusammen mit den gesetzlichen Regulierungen sind das die hauptsächlichen Treiber für das Wachstum von ADAS in den Automobilen der zweiten Hälfte dieser Dekade. Bis 2020 wird der Markt für ADAS weltweit eine Größe von 60 Milliarden US-Dollar erreichen [1]. Das entspricht einem Zuwachs von 22,8 Prozent für den Zeitraum von 2014 bis 2020 – und dieser wird sich auch stark auf dem Halbleitermarkt bemerkbar machen.

Dieses Wachstum stellt die Industrie vor große Herausforderungen durch Preisdruck, Inflation, Komplexität und Probleme beim Test dieser Systeme. Hinzu kommt, und das wird niemanden überraschen, dass die europäische Automobilindustrie die innovativste ist und die höchste Marktdurchdringung und Adaption bei ADAS zeigt. Aber die amerikanischen und japanischen Automobilhersteller liegen nicht weit zurück. Das ultimative Ziel ist das autonome Fahrzeug, das ganz ohne Fahrereingriffe auskommt.

Systemherausforderungen

Generell enthält ein Fahrerassistenzsystem einige Mikroprozessoren, die die von unzähligen Sensoren kommenden Informationen sammeln, diese verarbeiten und dem Fahrer so präsentieren, dass sie schnell verstanden werden. Die Systeme arbeiten gewöhnlich an der Hauptbatterie mit 9 bis 18 V. Durch Transienten und beim Kaltstart treten aber auch Spannungen bis 42 V auf oder aber bis 3,5 V. Das bedeutet, dass jeder DC/DC-Wandler in diesen Systemen einen breiten Eingangsspannungsbereich haben muss, der mindestens von 3,5 bis 42 V reicht.

Viele ADAS nutzen Spannungspegel von 5 und 3,3 V für die Versorgung der verschiedenen analogen und digitalen ICs. Die Prozessor-I/Os und -Kerne, die eingesetzt werden, arbeiten aber im Bereich unter 2 V – manchmal sogar herunter bis 0,8 V. Darüber hinaus sind die Systeme oft in einem Teil des Fahrzeugs untergebracht, in dem es Platz- und thermische Einschränkungen gibt, die auch für die Kühlkörper zutreffen.

Um direkt aus der Batterie 5 und 3,3 V zu erzeugen, kommt heute verbreitet ein Hochspannungs-DC/DC-Wandler zum Einsatz. In Fahrerassistenzsystemen muss dabei ein Schaltregler mit ≥ 2 MHz arbeiten, anstelle der in der Vergangenheit verwendeten Schaltfrequenzen< 500 kHz. Die Hauptgründe liegen in der Forderung nach einer kleineren Bauweise und dem Verlagern von Interferenzen außerhalb des MW-Radioempfangsbereichs.

Auch muss das ADAS die EMV-Richtlinien einhalten. Im Fahrzeug ersetzen Schaltregler die Linearregler dort, wo die Wärmeerzeugung und die Effizienz eine Rolle spielen. Zudem ist der Schaltregler die erste aktive Komponente an der Versorgungsspannung und hat so einen wesentlichen Einfluss auf das EMV-Verhalten der gesamten Reglerschaltung.

Es herrschen zwei Typen an EMV-Emissionen vor: geleitete und abgestrahlte. Leitungsgebundene Emissionen wandern entlang von Kabeln und Leitungszügen, die ein Produkt verbinden. Weil deren Rauschen sich an den Abschlüssen oder Steckverbindern feststellen lässt, kann die Einhaltung der EMV bereits früh in der Entwicklungsphase durch ein gutes Layout oder mit Hilfe von Filtern erzielt werden.

Die abgestrahlten Emissionen sind aber ein anderes Kapitel. Jeder Teil eines Boards, der vom Strom durchflossen wird, strahlt ein elektromagnetisches Feld ab. Jeder Leiterzug ist eine Antenne und jede Kupferlage ist ein Resonator. Alles erzeugt ein Rauschspektrum, es sei denn, es fließt Gleichstrom oder ein reiner Sinus. Selbst nach einem sorgfältigen Design sieht der Stromquellen-Designer erst nach einem Systemtest am fertigen Gerät, wo Emissionen abgestrahlt werden.

Filter werden oft zur Erhöhung der EMV eingesetzt – entweder bei einer spezifischen Frequenz oder für ein ganzes Frequenzband. Einen Teil der Energie, die abgestrahlt wird, kann durch metallisches oder magnetisches Abschirmmaterial gedämpft werden. Die Energie entlang der Leiterzüge wird durch Ferritperlen oder andere Filter vermindert. Die elektromagnetische Störausstrahlung (EMI, Electromagnetic Interference) kann nicht ganz beseitigt, aber auf einen Pegel gesenkt werden, der von den anderen Kommunikations- und Digitalkomponenten akzeptiert werden kann. Darüber hinaus setzen sich die Regulierungsbehörden mit ihren Standards durch und sichern so deren Einhaltung.

Moderne Eingangsfilter für die Oberflächenmontage weisen bessere Eigenschaften auf als solche für die Durchsteckmontage. Diese Verbesserungen treten aber durch die immer höheren Schaltfrequenzen der Schaltregler in den Hintergrund. Die schnellen Schaltvorgänge für hohe Effizienz und mit minimalen Ein- und Auszeiten führen zu einem höheren Anteil an Harmonischen. Jede Verdoppelung der Schaltfrequenz führt zu einer Verschlechterung der EMI von 6 dB, wobei alle anderen Parameter wie Schaltkapazität und Übergangszeit konstant bleiben. Vervielfacht man die Schaltfrequenz um den Faktor 10, verhält sich die Breitband-EMI wie nach einem Hochpassfilter und erhöht die Emissionen sogar um 20 dB.

Intelligente Leiterplatten-Designer machen die Erdschleifen klein und verwenden abschirmende Masselagen so nah an den aktiven Lagen wie möglich. Einen Einfluss auf die Erdschleifen haben auch:

  • Pin-Belegung und Gehäusekonstruktion
  • das thermische Design,
  • die minimale Größe der Schleifen sowie
  • die Komponentengröße der Entkopplungsbauteile, die notwendig sind, um die notwendige Energie zu speichern.

Was die Sache nicht einfacher macht, ist die Tatsache, dass in planaren Leiterplatten die induktive Kopplung zwischen den Leiterzügen bei Frequenzen über 30 MHz die Filterwirkung abschwächt – je höher die harmonischen Frequenzen sind, desto mehr wirken sich diese auf die magnetische Kopplung aus.