System-Basis-Chips (SBC)

Auf dem Weg zum »Multifunktionstalent«

10. September 2021, 5:42 Uhr | Iris Stroh

Spannungsverlauf beim Kaltstart

System-Basis-Chips (SBCs) für Automotive-Anwendungen wie HVAC, Gateways etc. enthalten Funktionsblöcke für die Stromversorgung und Kommunikation der ECU. Klingt einfach, doch die Anforderungen an die ICs werden immer größer.

Es ist bekannt, dass die Megatrends wie Elektrifizierung, Connectivity, autonomes Fahren der Automobilindustrie einiges abverlangen – auch schon vor Corona und Lieferengpässen. Kamel Abouda, im Bereich Advanced Analog von NXP Semiconductors, ist überzeugt, dass die Megatrends auch enorme Auswirkungen auf SBCs haben.

Beispielsweise steigt die Rechenleistung der Prozessoren im Fahrzeug. Um das zu erreichen, setzen die Prozessorlieferanten folgerichtig auf kleinere Prozessgeometrien. Galten vor kurzem 28 nm noch als durchaus fortschrittlich, wenn es um Automotive-ICs ging, »setzen die neuesten Entwicklungen heute auf einen 5-nm-Prozess auf«, so Abouda weiter. Die kleinen Prozessstrukturen wiederum machen niedrigere Versorgungsspannungen mit kleineren Toleranzen notwendig. Gleichzeitig erfordern zunehmende Leckströme ausgeklügelte Ansätze, um die Verlustleistung im Griff zu behalten. Die Folge: das Power-Management muss deutlich verbessert werden, »einschließlich einer höheren Bandbreite der Regelschleife, mehrphasige Wandler, eine geringere Spannungsskalierung etc., damit die Versorgungsspannung am Ausgang insgesamt genauer wird«, erklärt Abouda.

Auch die Elektrifizierung hat enorme Auswirkungen und das bereits, wenn nur über Mild-Hybrid und 48 V geredet wird. Die bislang am häufigsten verwendeten 12-V-Batterien haben eine Nennspannung irgendwo zwischen 13 und 14 V, die tatsächliche Spannung schwankt jedoch stark. Das heißt, dass alle elektronischen Module, die an dieser Batterie hängen, diese Schwankungen unbeschadet überstehen müssen. Abouda verweist in diesem Zusammenhang auf den LV-124-Standard, der die verschiedenen Bereiche und das erwartete Verhalten der Elektronik innerhalb dieser Bereiche definiert. Und diese Anforderungen sind alles andere als einfach. Wird zum Beispiel die Zündung eines Autos eingeschaltet wird, entnimmt der Anlasser der Batterie bei niedriger Temperatur einen hohen Strom (Kaltstart). In diesem Moment kann die Spannung der Batterie auf bis zu 3 V absinken, und trotzdem muss die angeschlossene Elektronik funktionieren. Aber nicht nur sehr geringe Spannungen können ein Problem sein. Wird ein Auto beispielsweise mit einer externen Batterie gestartet, können für wenige Minuten auch 24 V vorliegen, und auch in diesem Fall darf die Elektronik nicht beschädigt werden. Auch die Load-Dump-Anforderungen sind nicht zu vernachlässigen, weil die Spannung unter diesen Bedingungen auf bis zu 42 V ansteigen kann und das für typischerweise 400 ms. Abouda weiter: »Außerdem treten parasitäre Transienten auf, so dass bei elektronischen Systemen, die direkt an die Batterie angeschlossen sind, besondere Vorsicht geboten ist.«

Mit 48 V wird das natürlich nicht einfacher. Hier variiert der Betriebsbereich zwischen 36 und 52 V, die Überspannung kann bis auf 60 V steigen, im unteren Bereich geht es auf bis zu 20 V hinunter. Abouda: »Elektronische Systeme, die für Fahrzeuge mit 12-V-Batterien verwendet werden, können nicht direkt für 48-V-Batterien eingesetzt werden können. Es müssen neue ICs entwickelt werden, und möglicherweise sind auch neue Technologien erforderlich.«