Automotive Electronics Intelligente Motorsteuerung für automobile Anwendungen

Autor / Redakteur: Theodore Varelas * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Motorsteuerungen sollen kompakt und effizient sein – am besten mit allen Komponenten auf einem Chip: ARM-Prozessor, Mikrocontroller-Peripherie, Spannungsregler, LIN-Transceiver und Brückentreiber.

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In modernen Fahrzeugen werden immer mehr elektrisch geregelte Motoren eingesetzt. 2012 zählten die Analysten von IHS 2,3 Milliarden elektrische Motoren in Fahrzeugen. 2017 sollen es bereits 2,9 Milliarden sein, was einer durchschnittlichen Wachstumsrate pro Jahr von 5,7 Prozent entspricht. Bis 2017 sollen jährlich etwa 97 Millionen Fahrzeuge produziert werden. Das bedeutet durchschnittlich 30 Motoren pro Fahrzeug. Während heute noch rund 68 Prozent dieser Motoren bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind und 15 Prozent bürstenlose Gleichstrommotoren, soll die Anzahl der bürstenlosen Gleichstrommotoren in Zukunft steigen.
In modernen Fahrzeugen werden immer mehr elektrisch geregelte Motoren eingesetzt. 2012 zählten die Analysten von IHS 2,3 Milliarden elektrische Motoren in Fahrzeugen. 2017 sollen es bereits 2,9 Milliarden sein, was einer durchschnittlichen Wachstumsrate pro Jahr von 5,7 Prozent entspricht. Bis 2017 sollen jährlich etwa 97 Millionen Fahrzeuge produziert werden. Das bedeutet durchschnittlich 30 Motoren pro Fahrzeug. Während heute noch rund 68 Prozent dieser Motoren bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind und 15 Prozent bürstenlose Gleichstrommotoren, soll die Anzahl der bürstenlosen Gleichstrommotoren in Zukunft steigen.
(Bild: Infineon)

Infineon Technologies hat mit der Embedded-Power-Familie intelligente Brückentreiber vorgestellt, die sich durch ein hohes Integrationsniveau auszeichnen. Die automotive-qualifizierten SoCs sind für vielfältige Motorsteuerungen ausgelegt. Dafür sind sie mit einer Cortex-M3-MCU, skalierbarem Flash, analogen und Mixed-Signal-Peripherals, Kommunikationsschnittstellen und NFET-Gate-Treibern ausgestattet. So stellen die hoch integrierten Komponenten eine allgemeine Design-Plattform für Gleichstrom- und BLDC-Motoren dar und unterstützen eine Vielzahl von Motoren und Motorsteuerungsalgorithmen. Mit ihnen lassen sich die Entwicklungskosten für Systemhersteller im Automotive-Markt beträchtlich senken.

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Im Fahrzeug gibt es den klaren Trend hin zu kleinen, dezentralen Antrieben, denn man will Energie sparen. Dazu zählen beispielsweise Gebläse, Motorkühlung, Wasser- und Ölpumpen, Fensterheber, Front- und Heckscheibenwischer (Bild 1). Diese verteilte Motorintelligenz ermöglicht kreative Fahrzeug-Designs, die viele Vorteile aufweisen: weniger Verkabelung, weniger Gewicht und weniger Bauraum, Plattformlösungen mit verringertem Overhead und geringerer Komplexität bei den Optionen, verteilte Rechenleistung und verbesserte Diagnosemöglichkeiten, ausgeglichene Verlustleistung und verbessertes EMV-Verhalten, dedizierte Funktionen für ein optimales Kosten/Leistungsverhältnis und standardisierte kostengünstige Physical-Layer bzw. Protocol-Handler. Um diese verteilte Motorintelligenz zu implementieren, sind innovative Konzepte entscheidend.

Kompakte, umfassende Chip-Lösungen

Die neuen Motorsteuerungs-ICs sind kompakte, umfassende Chip-Lösungen mit allen notwendigen Funktionen für Anwendungen wie Sonnendach, Fensterheber, Pumpen (Benzin, Öl und Wasser), Gebläse und Lüfter. Dazu zählen die entsprechenden Messungen, die Regelung und die Ansteuerung für den elektrischen Motor. Gleichzeitig lassen sich mit ihnen die Systemkosten senken.

Leistungsfähige, automotive-qualifizierte Technologie

Für die neue, hochgradig integrierte Embedded-Power-Familie (Bild 2) kombiniert Infineon seine proprietäre, automotive-qualifizierte 130-nm-Smart-Power-Technologie mit seiner Erfahrung im Bereich der Motorsteuerungstreiber. Die Silizium-basierte bipolare CMOS-DMOS-Technologie (BCD) mit 130-nm-Strukturen ermöglicht die effektive Integration von Logik, Analogtechnik, Speicher und Leistungsstufen auf einem Chip. Wo früher Multi-Chip-Designs einen eigenen Mikrocontroller, einen Brückentreiber, mehrere Spannungsregler und einen LIN-Transceiver (LIN: Local Interconnect Network) erforderlich machten, profitieren heute die Systemlieferanten von Motorsteuerungs-Designs von einer minimalen Anzahl an externen Komponenten (Bild 3).

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Automotive Electronics Engineering erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar. Oder: Bestellen sie das Probeabo mit drei kostenlosen Ausgaben!

Mit den neuen Embedded-Power-Produkten reduziert sich die Komponentenanzahl von derzeit mehr als 150 auf weniger als 30. Damit finden alle Funktionen und die externen Komponenten für die Motoransteuerung über externe MOSFETs auf einer Leiterplattenfläche von lediglich 3 cm² Platz (Bild 4). Das macht die Integration der Elektronik nahe am Motor für mechatronische Designs möglich.

Ausgeklügelte Motorsteuerungsansätze

Intelligente Motorsteuerungen brauchen eine Vielzahl von ausgeklügelten Motorsteuerungsansätzen, die durch Energieeffizienz, Senkung der Systemkosten und Komfortansprüche getrieben sind. Es müssen verschiedene Motorsteuerungsalgorithmen unterstützt werden, angefangen bei einer sensorbasierten Blockkommutierung bis hin zu einer sensorlosen feldorientierten Regelung.

Der Cortex-M3-Prozessor in der neuen automotive-qualifizierten Embedded-Power-Familie für intelligente Motorsteuerungen adressiert genau diese Herausforderung auf der Design-Seite. Dank des System-on-Chip-Ansatzes, bei dem ein leistungsfähiger Mikrocontroller und MOSFET-Gate-Treiber zusammen mit allen Mess-, Regel- und Aktuatorfunktionen kombiniert werden, profitieren Systemhersteller mit der skalierbaren Embedded-Power-Familie von verringerten Systemkosten, einer erhöhten Zuverlässigkeit und einer geringeren Komplexität auf Systemebene.

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Intelligente Brückentreiber TLE987x und TLE986x

Sowohl in der TLE987x- als auch in der TLE986x-Serie sitzt ein Cortex-M3-Prozessor von ARM. Ihre Peripherie-Sätze umfassen unter anderem einen Stromsensor, einen SAR-A/D-Wandler mit 10 Bit Auflösung und Capture-Compare-Modul (CAPCOM6) für eine PWM-Regelung (Pulsbreitenmodulation) sowie 16-Bit-Timer (Bild 5). Darüber hinaus sind ein zertifizierter LIN-Transceiver für die Kommunikation sowie eine Vielzahl von General-Purpose-I/Os integriert.

Das integrierte LIN-Konzept ermöglicht eine schnelle Programmierung. Beide Serien sind mit einem zusätzlichen linearen Spannungsregler ausgestattet, um externe Lasten wie Sensoren zu unterstützen. Der integrierte Flash-Speicher ist von 36 bis 128 KByte skalierbar. Die Bausteine arbeiten mit einem großen Eingangsspannungsbereich von 5,4 bis 28 V. Eine integrierte Ladungspumpe ermöglicht den Betrieb bei niedriger Versorgungsspannung. Programmierbare stromgesteuerte MOSFET-Treiber zusammen mit einer patentierten Ansteuerung ermöglichen eine Optimierung des Schaltverhaltens der externen MOSFETs (current slope control) und des EMV-Verhaltens – und das für eine Vielzahl von MOSFETs bei weniger externen Bauteilen.

Damit fallen die Stückzahlkosten im Vergleich zur gängigen Voltage-Bootstrap-Technik deutlich geringer aus. Der System-IC kann Load-Dump-Bedingungen von bis zu 40 V aushalten, während gleichzeitig viele Funktionen mit einer Versorgungsspannung bis hinunter auf 3,0 V arbeiten können. Selbst bei dieser niedrigen Spannung sind der Mikrocontroller und der Flash-Speicher voll funktionsfähig.

Embedded-Power-ICs mit weiteren Funktionseinheiten

Die neuen Embedded-Power-ICs verfügen darüber hinaus noch über folgende Funktionseinheiten: EEPROM-Emulation (4 KByte), 8-Bit-A/D-Wandler für Diagnosezwecke, SPI, UARTs, Timer für die Erzeugung von PWM-Signalen zur Regelung von 3-Phasen-Motoren, Oszillator und PLL. Alle Bausteine sind mit fortschrittlichen Schutz- und Diagnosefunktionen versehen, zum Beispiel einer einstellbaren Drain-Source-Überwachung.

Das PG-VQFN-Gehäuse mit einer Fläche von lediglich 7 mm x 7 mm ermöglicht Platzeinsparungen auf der Leiterplatte, eine kompakte Elektronik und damit ein kompaktes Gesamtsystem mit geringerem Gewicht. Außerdem verbessert die Single-Die-Lösung die Zuverlässigkeit des Moduls.

Optimiert für 3- und 2-Phasen-Motoren

Die TLE987x-Serie eignet sich für 3-Phasen-Motoren (BLDCs) wie Benzinpumpen, Gebläse, Motorkühlung, Wasserpumpen, hochgradig effiziente Pumpen und Lüfter sowie weitere sensorlose und sensorbasierte (einschließlich einer feldorientierten Regelung) BLDC-Motoren, die über LIN angesprochen oder über ein PWM-Signal geregelt werden. Die TLE987x-Serie ist mit sechs vollständig integrierten NFET-Treibern ausgestattet, die optimiert sind, um einen 3-Phasen-Motor über sechs externe Leistungs-NFETs zu treiben.

Die TLE986x-Serie ist für 2-Phasen-Gleichstrommotoren optimiert und verfügt über vier NFET-Treiber. Die TLE986x-Serie adressiert Anwendungen wie Sonnendächer, Fensterheber und ganz allgemein alle intelligenten Motorsteuerungen mithilfe einer NFET-H-Brücke.

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In Flash-Größe und Taktfrequenz skalierbare Chips

Beide Familien sind hinsichtlich der integrierten Flash-Größe und der Taktfrequenz skalierbar und unterstützen eine Vielzahl von Motorsteuerungsalgorithmen. Die TLE987x- und TLE986x-Komponenten sind mit der gleichen MCU und den gleichen Peripherals ausgestattet und ermöglichen Design-Synergien zwischen Gleichstrom- und BLDC-Motorsteuerungen. Alle Komponenten der neuen Embedded-Power-IC-Familie sind Pin- und Software-kompatibel. Sie decken eine Vielzahl von Applikationen ab, angefangen von einer einfachen Motorsteuerung mit Relais bis hin zu High-End-Varianten mit MOSFETs.

Design-Unterstützung

Infineon und Drittunternehmen unterstützen die Embedded-Power-Familie mit einem vollständigen Satz an Entwicklungs-Tools. Darin enthalten sind Compiler, Debugger, Evaluierungs-Boards, Low-Level-Treiber für LIN und Konfigurations-Tools sowie Beispiel-Software für die Motorsteuerung.

Auch als Starter-Kits verfügbar

Für beide Produktfamilien gibt es auch Starter-Kits (3-Phasen-TLE987x und 2-Phasen-TLE976x). Sie beinhalten Software-Tools und Hardware-Schnittstellen (NFET-Motortreiber, einen zusätzlichen externen LIN-Transceiver, RS232-Schnittstelle, Debug-LEDs, Debugger usw.), um Entwicklern einen schnellen Design-Start zu ermöglichen.

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Direkte Anbindung an einen BLDC-Motor über MOSFETs

Das TLE987x Evalb Jlink Kit (Bild 6) unterstützt beispielsweise die komplette Evaluierung für alle Funktionen und Peripherals der TLE987x-Familie. Es ermöglicht die direkte Anbindung an einen BLDC-Motor über MOSFETs in einer B6-Brücken-Konfiguration. Das Kit beinhaltet eine B6-Brücke für BLDC-Motorantriebe, UART und LIN für die Kommunikation sowie den direkten Zugriff auf alle I/Os und einen J-Link Debugger.

* Theodore Varelas ist Marketing Manager Automotive Body Power bei Infineon Technologies.

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