Hohe Ströme in Fahrzeugen bereitstellen Motorströme bis 50 Ampere beherrschen

Sämtliche Funktionen zukünftiger Fahrzeuge werden elektrifiziert. Das führt in der Regel zu einem vermehrten Platzbedarf. Daher rücken integrierte Mikrocontroller-Lösungen in den Vordergrund, wie Toshiba Electronics aufzeigt.

Betrachtet man heutige Fahrzeuge, findet sich darin fast nichts mehr, das ausschließlich mechanisch aufgebaut ist. Mit der zunehmenden Elektrifizierung wird anscheinend auch jede Funktion im Fahrzeug elektrifiziert – von kamerabasierten Rückspiegeln bis zu motorgesteuerten Türen und Heckklappen. Der Fantasie der Fahrzeugentwickler sind dabei keine Grenzen gesetzt, nur die Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit und langfristige Verfügbarkeit bleiben konstant. Die Herausforderung bei einigen dieser Anwendungen sind die hohen Belastungen, insbesondere bei Türen und Heckklappen, verbunden mit dem notwendigen Platzbedarf für deren Integration mitsamt Steuergerät. Das führt zu Herausforderungen bei der Energieversorgung und der Wärmeableitung, die zu einem großen Teil von den Halbleiterherstellern gelöst werden müssen.

Komfortfunktionen verleihen mit Hilfe eines Elektromotors einen Hauch von Luxus. Am gebräuchlichsten sind heute elektrische Fensterheber und Schiebedächer. Diese müssen ein Drehmoment von ca. 12 Nm bereitstellen. Automatische Schiebetüren und Heckklappen erfordern jedoch eine Kraft von bis zu 140 Nm, sodass der Motor im Betrieb mit hohen Strömen (~20 A bis ~ 50 A) versorgt werden muss. Bedingt durch die auftretenden Ströme ergeben sich Fragen hinsichtlich der Wärmeableitung, elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und Baugröße. Darüber hinaus müssen solche Anwendungen die erforderliche ASIL-Einstufung erreichen und die Anforderungen nach ISO 26262 erfüllen, um Funktionale Sicherheit zu gewährleisten.

Entwickler müssen bei der Wahl der verfügbaren Bauelemente genau überlegen, wie sie diese Herausforderungen am besten bewältigen. Um den Platzbedarf auf der Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) zu reduzieren, haben sich viele Halbleiterhersteller für integrierte Lösungen entschieden. Im Bereich der Motor-/Antriebssteuerungen fallen diese in eine von zwei Kategorien: die Integration des Mikrocontrollers mit FET-Treibern oder die Integration der FET-Treiber mit den Leistungsschaltern.

Weil moderne Fahrzeuge heute voraussichtlich rund 100 Millionen Zeilen Software-Code [1] benötigen, haben Fahrzeughersteller erhebliche Anstrengungen in ihre vorhandene Codebasis, Entwicklungsumgebung und Mikrocontroller-Plattform gesteckt. Die Vorteile einer integrierten Mikrocontroller-Lösung, die noch nicht Teil eines bestehenden Projekts war, sollten also sorgfältig geprüft werden. Denn Lösungen, die FET-Treiber und Leistungsschalter integrieren, stellen für Automobil-Anwendungen interessante Alternativen dar.

Traditionsbewusste Automobilbranche

Seit 1974 liefert Toshiba zuverlässig Analog-Halbleiter in die Automobil-Branche. Erste Leistungshalbleiter wurden in Wischermotoren, Kombiinstrumenten, Blinkern und Türmodulen eingesetzt. Die ersten Anwendungen basierten damals auf Bipolartechnologie. Der Umstieg auf BiCMOS erfolgte in den 1980er Jahren und bildete die Grundlage für eine Reihe von Produktkategorien, zu denen 5-V-Regler und Relaistreiber gehörten.

Durch das Zusammenführen der Bipolar-, CMOS- und LDMOS-Technologie, bildete die BiCD-Technologie in den 2000-er Jahren die Grundlage für moderne Halbleiterlösungen in Sicherheitssystemen, darunter Airbags, elektrische Servolenkung (EPS) und Motorsteuerungsgeräten. Die Expertise und Konkurrenzfähigkeit hat dazu geführt, dass Toshiba in den letzten 45 Jahren 2,5 Milliarden Analog-ICs für Automobil-Anwendungen ausgeliefert hat.

Um diesen Erfolg im Automobil-Bereich fortzusetzen, arbeitet Toshiba mit Hochdruck an neuen Lösungen. Derzeit entwickelt das Unternehmen einen neuen Halbbrückentreiber für 12-V-Motorsteuerungen. Der TB9111FTG besteht aus jeweils einem High- und Low-Side-Leistungs-FET mit geringen Durchlasswiderständen sowie dem dazugehörigen Gate-Treiber-Controller-IC (Bild 1). Die Halbbrücke arbeitet in einem für die Leistungs-FETs gültigen Temperaturbereich von –40 bis +175 °C.

Hohe Integration für 50-A-Motoransteuerungen

Der TB9111 wird als System-in-Package (SiP-Lösung bestehend aus drei Chips) im WQFN-Gehäuse (9 mm × 9 mm) realisiert. Zur Optiemierung der Wärmeabfuhr verfügt das Gehäuse über ein Exposed Pad an der Unterseite. Bei entsprechender Auslegung kann die Halbbrücke Motorströme in der 50-A-Region liefern.

Das enthaltene Controller-IC bietet verschiedene Funktionen, die sowohl die Steuerung der FETs als auch den Systemschutz und die Rückmeldung an den Mikrocontroller unterstützen. Der Schutz umfasst Abschalten bei Überstrom, Strombegrenzung, Totzeitgenerierung und Erkennen von Unterspannungen. Außerdem ist ein Operationsverstärker integriert, der zusammen mit einem niederohmigen High-Side-Widerstand die Information über den gemessenen Spannungsabfall an den ADC des angeschlossenen Mikrocontrollers weiterleitet (Bild 2). Die erzielbare Genauigkeit kann dabei bis zu 10 Prozent erreichen.

Um EMV-Anforderungen gerecht zu werden, kann ein externer Widerstand mit dem SR-Pin für die gewünschte Flankensteilheit zum Einsatz kommen (Bild 3). Die interne Totzeitgenerierung passt sich automatisch dieser Einstellung an. Zu beachten ist, dass langsamere Anstiegs- und Abfallzeiten einen Einfluss auf das obere Ende der nutzbaren Pulsweitenmodulationsfrequenzen (PWM) haben. Dies führt auch zu höheren Verlusten und erzeugt aufgrund der höheren Stromaufnahme mehr Wärme, welches es beim Schaltungsdesign zu berücksichtigen gilt.

Die Motorsteuerung erfolgt über drei digitale Eingänge, von denen zwei für die PWM-Signale der High- und Low-Side-FETs sind und einer die Freigabefunktion bereitstellt. Ein weiterer digitaler Eingang ist für die Standby-Funktion, sodass der TB9111 in einen Zustand mit 5 µA Strom wechselt. Zwei digitale Ausgänge liefern Diagnoserückmeldungen an den Mikrocontroller. Entsprechend konfiguriert, kann die Diagnose entweder auf Übertemperatur- oder Überstromzustände reagieren oder kann beides kombinieren.

Um die Verzögerung bei der Temperaturmessung auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, verfügen die N- und P-Kanal-FETs über integrierte Dioden zur Temperaturüberwachung durch den Controller. Temperaturwarnungen werden ab etwa 135 °C von dem Chip ausgegeben, während der Baustein bei gemessenen 195 °C in den automatischen Shutdown wechselt. Dieser Fehlerzustand erfordert dann einen durch den Mikrocontroller zu initiierenden Neustart. Die Temperaturdioden lassen sich auch vom Mikrocontroller aus direkt über zwei dedizierte Ausgangspins und einen ADC überwachen.

Es werden bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren unterstützt. Bürstenbehaftete Motoren lassen sich mit einem TB9111FTG oder mit zwei TB9111FTG in einer H-Brückenkonfiguration betreiben (Bild 4). In dieser Konstellation werden beide High-Side-FETs stromüberwacht. Alternativ lassen sich drei Bausteine kombinieren, um einen BLDC Motor anzusteuern.

Mechanische Funktionen elektrifizieren

Moderne Fahrzeuge erfordern eine umfassende Elektrifizierung bisher rein mechanischer Funktionen. Das erfordert Hochleistungsmotoren mit einer Steuerelektronik, die das erforderliche Drehmoment zum Heben und Bewegen von Fenstern, Türen und Heckklappen bereitstellen. Es kommt auch darauf an, dass ein Partner mit langjähriger Erfahrung im Automobil-Bereich ausgewählt wird, der die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Qualität versteht. Das dauerhafte Engagement Toshibas im Bereich Analog-Halbleiterbauelemente spiegelt sich im TB9111FTG wider. Dabei kommen Halbleiterfertigungsprozesse und Chipgehäuse zum Einsatz, die den Nutzern Wettbewerbsvorteile bieten.

Literatur

[1] https://www.visualcapitalist.com/millions-lines-of-code

Der Autor

Klaus Neuenhüskes
studierte Elektrotechnik und ist als Senior Manager Semiconductor Marketing bei Toshiba Electronics für System LSI IC Produkte für Europa verantwortlich. Er hatte zuvor Positionen bei OKI Electric Europe und NEC Electronics inne.