Automobilanwendungen
12-V-BLDC-Motorsteuerung: Welcher Ansatz passt?
Integriert, MCU-basiert oder diskret: Für die Ansteuerung von 12-V-BLDC-Motoren gibt es unterschiedliche Steuergerätearchitekturen – jede mit eigenen Vor- und Nachteilen. Toshiba setzt beim TB9084FTG auf einen Ansatz, der Integration mit möglichst hoher Designflexibilität verbinden soll.
Da sich Fahrzeuge von überwiegend mechanischen Maschinen zu elektronischen Systemen entwickeln, ist auch die Anzahl der Motoren gestiegen, die für die verschiedenen Funktionen erforderlich sind. Heutige Autos nutzen Elektromotoren für zahlreiche Funktionen der Karosserieelektronik, darunter elektrische Schiebetüren und automatisch öffnende Heckklappen, aber ach. Dazu kommen noch die Aggregate im Motorraum wie Wasserpumpen, Ölpumpen und Kühlventilatoren.
Im Zuge dieser Entwicklung wurden herkömmliche Bürstenmotoren zunehmend durch bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) ersetzt, die sich durch eine lange Lebensdauer, Effizienz und Laufruhe auszeichnen. Diese Umstellung erhöht allerdings die Komplexität bei der Entwicklung elektronischer Steuergeräte (ECUs). Sie müssen robust genug sein, um den anspruchsvollen Bedingungen im Fahrzeug standzuhalten, und zugleich flexibel genug, um sich an immer anspruchsvollere Systemanforderungen anpassen zu können. Im Mittelpunkt dieser Herausforderung steht die Architektur des Steuergeräts.
Kompromisse bei der Steuergerätearchitektur
Bisher mussten Ingenieure zwischen hochintegrierten Lösungen und diskreten Komponentenkonfigurationen wählen, die jeweils unterschiedliche Kompromisse mit sich brachten (Abbildung 1).
Abbildung 1: Drei Arten von Steuergerätekonfigurationen und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile
Eine integrierte Konfiguration, bei der die Motorsteuerung von einer dedizierten Hardware-Logik übernommen wird, bietet Vorteile hinsichtlich der Gesamtgröße und der Kosten. Allerdings mangelt es diesem Ansatz oft an Flexibilität bei der Entwicklung. Ändern sich die Systemanforderungen – beispielsweise, wenn ein Motor mit einem höheren Strom angesteuert werden muss -, kann er erforderlich sein, dass die gesamte Lösung ersetzt werden muss. Dies wiederum kann eine komplette Neuentwicklung des gesamten Steuergeräts erforderlich machen.
Ein anderer Ansatz besteht darin, einen Mikrocontroller mit integrierten Leistungsperipheriekomponenten einzusetzen. Diese Konfiguration wird allgemein als der beste Kompromiss zwischen den jeweiligen Vor- und Nachteilen angesehen. Allerdings hat der Mikrocontroller eine begrenzte Verarbeitungskapazität. Wenn die Systemanforderungen diese Kapazität überschreiten, sind die erforderlichen Designänderungen typischerweise erheblich.
Der dritte Ansatz ist eine diskrete Konfiguration, bei der Mikrocontroller, Gate-Treiber, Stromversorgung und MOSFETs separate Komponenten sind. Mit dieser Konfiguration müssen bei steigendem Leistungsbedarf nur die MOSFETs aufgerüstet werden, während die Logik- und Steuerungsarchitektur unverändert bleiben kann. Diese Konfiguration hat zwar Nachteile hinsichtlich der Gesamtgröße und Kosten der Komponenten, bietet jedoch eine überragende Flexibilität.
Toshiba begegnet diesen architektonischen Herausforderungen mit dem TB9084FTG, einem Gate-Treiber-IC, der die Lücke zwischen Bausteinen mit nur minimalem Funktionsumfang und hochkomplexen, für sicherheitskritische Anwendungen ausgelegten Lösungen schließt. Damit können Entwickler die Designflexibilität des diskreten Ansatzes beibehalten und gleichzeitig von der Größenreduzierung durch die Integration profitieren.
Vielseitigkeit durch optimierte Funktionsgruppen
Flexibilität bei der Entwicklung von Automotive-Systemen wird häufig nicht dadurch erreicht, dass zusätzliche Funktionen integriert werden, sondern indem die vorhandenen Funktionen für ein möglichst breites Spektrum an Anwendungsfällen optimiert werden (Abbildung 2). Daher konzentriert sich die Designphilosophie von Toshiba beim TB9084FTG auf Vielseitigkeit, was ihn von verwandten Produkten wie dem TB9081FG unterscheidet, der mit allen Funktionen für elektrische Servolenkungen (EPS) ausgestattet ist und die ASIL-D-Sicherheitsstandards unterstützt. Dieser minimalistische Ansatz bedeutet jedoch keineswegs, dass es dem TB9084FTG an Leistungsfähigkeit mangelt.
Abbildung 2: Übersicht über den internen Schaltkreisaufbau des TB9084FTG und Beispiele für Anwendungsschaltungen
Der TB9084FTG verfügt über eine Ladungspumpenschaltung, um auch bei schwankender Batteriespannung eine ausreichende Spannung für den Betrieb externer N-Kanal-MOSFETs sicherzustellen. Er steuert die für die dreiphasige Motoransteuerung erforderlichen FETs an und verfügt zusätzlich über einen Kanal zur Ansteuerung eines MOSFETs für den Verpolschutz (Reverse Polarity Protection: RPP). Diese RPP-Funktion unterstreicht die Systemflexibilität des Moduls und stellt sicher, dass selbst bei falschem Batterieanschluss der Rückstrom unterbunden und damit das gesamte System geschützt wird.
Darüber hinaus sorgt die Ladungspumpe dafür, dass der High-Side-Gate-Treiber eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhält, indem er bei ausreichender Batteriespannung eine Begrenzung auf bestimmte Werte gewährleistet und bei niedriger Spannung die Ladungspumpenspannung durchlässt.
Konfigurierbarkeit über SPI
Echte Flexibilität beim Systemdesign entsteht, wenn das Verhalten der Hardware über die Software kontrolliert werden kann. Im Gegensatz zu starren, rein hardwaregestützten Treibern verfügt dieses IC über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI), die eine Brücke zwischen dem Treiber und dem Host-Mikrocontroller bildet. Über SPI können Systementwickler dynamisch konfigurieren, wie der Treiber auf verschiedene Betriebsbedingungen reagiert. Logische Entscheidungen sind also nicht fest in der Hardware vorgegeben, sondern lassen sich per Software einstellen.
So verfügt der Baustein beispielsweise über mehrere Schaltungen zur Fehlererkennung, darunter die Überwachung von Über- und Unterspannung sowie thermische Abschaltung. Über die SPI-Register kann ein Entwickler festlegen, ob ein bestimmter Fehler einen Latch-Modus auslöst, bei dem das System bis zum manuellen Reset abgeschaltet bleibt, oder einen Auto-Recovery-Modus, bei dem der Betrieb nach fortgesetzt wird, sobald der Fehler nicht mehr vorliegt.
Für die Überspannungserkennung lässt sich konfigurieren, ob die Erkennung vollständig deaktiviert wird, der Betrieb unter Ausgabe einer Fehlermeldung fortgesetzt wird oder die Gate-Treiber abgeschaltet werden. Auch die Reaktion auf Übertemperaturereignisse lässt sich anpassen: Je nachdem, wie kritisch die jeweilige Anwendung ist, kann das System entweder vollständig abgeschaltet werden oder unter Ausgabe einer Warnmeldung weiterarbeiten.
Dieses softwaredefinierte Verhalten erstreckt sich auch auf den Schutz der externen MOSFETs. Eine Drain-Source-Spannungsüberwachung erfasst den Spannungsabfall über den High-Side- und Low-Side-FETs, um Kurzschlüsse oder Fehler zu erkennen. Über die SPI-Schnittstelle können Entwickler hierfür bestimmte Schwellenspannungen und Maskierungszeiten einstellen, um Fehlalarme bei Schalttransienten zu vermeiden. Durch Anpassen dieser Parameter kann ein und derselbe Gate-Treiber so eingestellt werden, dass er mit verschiedenen Motoren und MOSFETs in verschiedenen Fahrzeugplattformen eingesetzt werden kann.
Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit
Die baulichen Einschränkungen in modernen Fahrzeugen erfordern zudem Flexibilität bei der Bauform und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Da Steuergeräte in immer engeren Bauräumen innerhalb von Türverkleidungen oder Motorräumen untergebracht werden, ist ein möglichst geringer Platzbedarf entscheidend. Der TB9084FTG ist in einem 6 mm × 6 mm P-VQFN36-Gehäuse untergebracht und trägt damit dazu bei, die Baugröße des Steuergeräts zu reduzieren.
Trotz seiner geringen Größe ist das Gehäuse auf hohe Zuverlässigkeit ausgelegt und verfügt über sogenannte Wettable Flanks. Dieses Designelement ist für die Automobilherstellung von entscheidender Bedeutung, da es eine automatische optische Inspektion (AOI) der Lötstellen ermöglicht und die Integrität der Anschlüsse ohne teure Röntgeninspektion gewährleistet.
Darüber hinaus ist der Baustein nach AEC-Q100 Grade 0 qualifiziert und gewährleistet einen Betrieb in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 175 °C. Dieser große thermische Temperaturbereich gibt Entwicklern mehr Flexibilität bei der Platzierung des Steuergeräts: Es kann beispielsweise in Bereichen mit hohen Temperaturen unter der Motorhaube oder in mechanisch integrierten Motorgehäusen untergebracht werden, anstatt auf die kühlere Fahrgastzelle beschränkt zu sein.
Präzise Steuerung und Diagnose
Die Flexibilität wird außerdem durch präzise Analogfunktionen unterstützt, die es dem Steuergerät ermöglichen, die Motorleistung genau zu überwachen. Der TB9084FTG verfügt über einen integrierten Strommessverstärker (Current Sense Amplifier: CSA), der den durch den Motor fließenden Strom überwacht. Dieser Verstärker beinhaltet eine Kalibrierungsfunktion, die die Eingangs-Offsetspannung unter Standardbedingungen auf ±1 mV korrigiert. Die Verstärkung des Verstärkers kann über die SPI eingestellt werden, wodurch das System an unterschiedliche Shunt-Widerstände und Strombereiche angepasst werden kann. Damit erhält der Mikrocontroller präzise Rückmeldesignale, die von den Motorregelungsalgorithmen verarbeitet werden – unabhängig davon, ob ein kleiner Lüfter oder eine leistungsstarke Pumpe angesteuert wird.
Detaillierte Statusregister ermöglichen es dem Mikrocontroller, verschiedene Fehler gezielt zu diagnostizieren und beispielsweise zwischen Kommunikationsfehlern, Übertemperaturereignissen und Spannungsabweichungen zu unterscheiden. Auf Grundlage dieser Diagnoseinformationen kann die Systemsoftware situationsabhängig reagieren, etwa einen erneuten Versuch starten oder den Fahrer warnen. Dadurch erhöht sich die Robustheit der gesamten Fahrzeugarchitektur.
Fazit
Letztlich ergibt sich die Notwendigkeit einer flexiblen Systementwicklung bei Automotive-Anwendungen aus dem Ziel, Entwicklungszeit und -kosten zu reduzieren und gleichzeitig bereits entwickelte Lösungen möglichst umfassend wiederzuverwenden. Eine starre, hochintegrierte Lösung mag ein bestimmtes Problem zwar effizient lösen, wird jedoch zu einem Nachteil, wenn sich die Spezifikationen im Zuge der Weiterentwicklung ändern. Eine flexible Lösung wie der TB9084FTG ermöglicht es Entwicklern dagegen, eine grundlegende Steuergeräteplattform zu entwickeln, die sich durch die Auswahl der Komponenten und die Softwarekonfiguration an unterschiedliche Lasten und Anforderungen an die funktionale Sicherheit anpassen lässt.