Intelligente Treiber-Bausteine im Einsatz bei Klimaanlagen und Türsteuergeräten Motoransteuerung mit schlauen Treibern

Treiber-Bausteine haben ein vielfältiges Anwendungsspektrum in der Automobilindustrie, aber auch in anderen Bereichen finden sich viele verschiedene Anwendungen, bei denen Aktoren angetrieben werden müssen. Intelligente Treiber schützen sich selbst gegen äußere Einflüsse, stellen umfangreiche Diagnosefunktionen bereit und bieten durch neue Technologien eine erhöhte Ausfallsicherheit. Eine neue Treiber-Familie wird speziell im Bereich der Ansteuerung von DC-Motoren untersucht.

Intelligente Treiber-Bausteine im Einsatz bei Klimaanlagen und Türsteuergeräten

Treiber-Bausteine haben ein vielfältiges Anwendungsspektrum in der Automobilindustrie, aber auch in anderen Bereichen finden sich viele verschiedene Anwendungen, bei denen Aktoren angetrieben werden müssen. Intelligente Treiber schützen sich selbst gegen äußere Einflüsse, stellen umfangreiche Diagnosefunktionen bereit und bieten durch neue Technologien eine erhöhte Ausfallsicherheit. Eine neue Treiber-Familie wird speziell im Bereich der Ansteuerung von DC-Motoren untersucht.

Der Einzug der Elektronik im Auto hält weiter an. Die Erfüllung der EMV-Anforderungen hinsichtlich Abstrahlung und Einstrahlfestigkeit muss nicht mehr nur auf Steuergeräte-, sondern auch auf IC-Ebene nachgewiesen werden. Hier bringt der SOI-Prozess (Silicon On Insulator) große Vorteile; er verhilft dem Produkt zur Unempfindlichkeit gegen Überspannungen und andere zerstörerische Einflüsse von außen.

Atmels neue Smart-Power-Technologie SMARTIS, die auch für die neuen Treiber-Schaltkreise genutzt wurde, bietet entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Bulk-BCD-Prozessen (Bipolar-CMOS-DMOS). So haben die DMOS-Transistoren (Double diffused Metal-Oxide Semiconductor) wegen des sehr kleinen RDSon-Wertes (Widerstand zwischen Drain und Source im eingeschalteten Zustand) eine geringe Verlustleistung. Der wesentliche Unterschied bei der SOI-Technologie aber ist das Substrat. Die Isolation der Komponenten durch eine Oxidschicht beseitigt Probleme mit parasitären Effekten und „Latchup“, was die IC-Entwicklung vereinfacht und beschleunigt. Das Übersprechen von nebeneinander liegenden analogen und digitalen Schaltungsteilen auf demselben Chip wird drastisch reduziert.

Ein gutes Beispiel für die gestiegenen EMV-Anforderungen sind die automobilen Kommunikations-ICs. In der Vergangenheit gab es bei den unterschiedlichen Bussystemen wie CAN oder LIN große Schwierigkeiten bezüglich der Ausfallsicherheit. Fehler in einem Bus sind natürlich ungleich höher zu bewerten als bei unvernetzten Bausteinen, da bei einem Ausfall gleich das ganze Netz lahm gelegt werden kann, was beispielsweise bei einem LIN-Netzwerk bis zu 16 Teilnehmer treffen kann. Dies führte dazu, dass viele Automobilhersteller sich verstärkt selbst um die Verbesserung der Bussysteme kümmerten. Was mit der Standardisierung bei CAN begann, wurde mit LIN fortgeführt.

Durch die Integration beispielsweise von LIN-Transceivern in Treiber-Bausteine wird die oben geschilderte Ausfallsicherheit auch hier verlangt. Die Nutzung der SOI-Technologie bietet daher die allerbesten Voraussetzungen, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. SMARTIS ist bei vielen Applikationen auch die kostengünstigere Alternative im Vergleich zu einer Bulk-BCD-Technologie. Dies wird durch den direkten Shrink-Effekt erreicht; die Gatterdichte ist äquivalent zu einem 0,5-µm-CMOS-Prozess, die Integration größerer Logikblöcke ist somit möglich. Ein weiteres Plus ist die Verkürzung der Prozesszeit und die stetige Vereinfachung des Prozesses, um die Herstellungskosten zu senken. So kommt der neue SOI-Prozess gegenwärtig mit nur 20 Masken aus, im Vergleich hierzu liegen moderne Bulk-Prozesse bei etwa 28.

Speziell die Schutzfunktionen gegen Blockade, verursacht durch Vereisen, Verklemmen oder andere mechanische Schäden, machen die Atmel-Treiber zu einer guten Wahl für Spiegelverstellungen. Die weiteren Diagnosefunktionen wie Unterspannungserkennung und Lastabriss sind Grundvoraussetzung in automobilen Systemen.

Der neue SOI-Treiberbaustein ATA-6826 (Bild 7) besteht aus drei voll geschützten Halbbrücken, um Lasten mit einem Mikrocontroller zu schalten. Jede Halbbrücke kann Ströme von bis zu 1 A nach Batteriespannung bzw. nach Masse schalten. Alle Arten von Lasten wie Lampen, Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten können betätigt werden. Wegen der Ausbildung als Halbbrücke eignet sich dieser Schaltkreis besonders zum Ansteuern von Gleichstrommotoren. Außerdem finden solche Treiberbausteine Anwendung zum Schalten von Relais für Sitzverstellung, Fensterheber und Heckscheibenheizung.

Die Kommunikation erfolgt über eine SPI-Schnittstelle, die die Ausgänge und die Überwachungsfunktionen schaltet. Im Rückleseregister werden die Zustände der einzelnen Ausgänge wie auch die Diagnoseergebnisse sichtbar. Die Ausgänge sind vollständig gegen Überstrom und Übertemperatur geschützt. Wird Überstrom erkannt, wird entweder der Strom begrenzt oder abgeschaltet. So lässt sich während des Anlaufens eines Motors kurzzeitig der Maximalstrom begrenzen. Ist der Motor angelaufen und der Strom auf den Nennwert verringert, kann auf Stromabschaltung umgeschaltet werden. Nun wird auf Blockade des Motors reagiert, indem sich die Ausgangsstufe automatisch abschaltet. Im Falle von Strombegrenzung steigt der Spannungsabfall und somit die Verlustleistung in der Endstufe stark an. Die in jeden Ausgangstreiber integrierten Temperatursensoren warnen bei Überschreiten einer ersten Schwelle. Darauf kann der Mikrocontroller mit dem Reduzieren des Laststroms reagieren, etwa durch Ausschalten der Stufe. Beim Überschreiten einer weiteren Schwelle werden die Ausgänge abgeschaltet. Trat eine Abschaltung wegen Übertemperatur oder Überstrom auf, so bleibt dieser Zustand bis zu einem Reset erhalten: Der Mikrocontroller kann so eindeutig auf diese Fehler reagieren.

Die neuen SOI-Technologien sind für Sperrschichttemperaturen bis über 200 C geeignet. Neben höheren Verlustleistungen sind damit auch höhere Umgebungstemperaturen möglich.