М. Ленц (перевод А. Биленко)

Эволюция и революция интеллектуальной силовой электроники

Быстрый прогресс электроники и е╦ стремительное проникновение почти во все области нашей жизни особенно заметны на примере автомобиля. В настоящее время в автоэлектронике происходит эволюция подходов к различным проблемам, что да╦т основание надеяться на рождение революционных инженерных решений уже в самое ближайшее время.

Изменение оборудования современного автомобиля можно представить в виде многих маленьких, быстро следующих друг за другом шагов, прич╦м в большинстве случаев это не грозит автомобилистам чрезмерными дополнительными затратами на электронику. В последнее время она вс╦ шире используется, например, для управления сгоранием топлива в двигателе, в устройствах контроля за состоянием отдельных агрегатов и систем, для управления исполнительными механизмами и так далее.

Сходная ситуация имеет место и в системах, обеспечивающих безопасность, например, в антиблокировочной системе тормозов (ABS), надувных подушках безопасности и в контроле за шасси. А в так называемых "Body-Covenience"-системах, с которыми человек находится в непосредственном контакте, это просто естественно, и водитель при использовании, например, навигационной системы, должен быть абсолютно уверен, что множество микропроцессоров делают сво╦ дело как надо.

Для управления и организации взаимодействия отдельных блоков электронной начинки автомобиля необходима специальная магистраль, которой в современном автомобиле может являться сеть CAN (Controlled Area Network), обеспечивающая независимое и одновременное управление через общую шину (рис. 1).

Рисунок 1. Система общей шины в современном автомобиле

Эволюция в автомобильной электронике

В принципе, прогрессивная эволюция автомобильной электроники приветствуется всеми. Однако каждая дополнительная функция увеличивает стоимость автомобилей, чрезмерное давление которой одновременно на производителя и потребителя испытывают сегодня во вс╦м мире.

Не является исключением и автомобильная электроника. Поэтому логически оправданным является стремление к стандартизации отдельных компонентов, а специализация устройств вс╦ в большей степени достигается пут╦м реконфигурации программного обеспечения.

Пути оптимальной интеграции электронных систем управления

Основой современных электронных систем управления ECU (Electronic Control Unit) (рис. 2) является, как правило, микроконтроллер с окружающими его датчиками, модулями ввода/вывода, исполнительными элементами и т.п.

Рисунок 2. Структурная схема ECU

Для достижения максимально возможной над╦жности оптимально, чтобы все блоки ECU могли быть интегрированы в монолитном кристалле или, по крайней мере, представляли собой многокристальный модуль в отдельном корпусе - МСМ (Multi-Chip-Module). У фирмы Infineon, например, для этих целей разработана специальная фирменная технология SPT (Smart Power Technologies).

С помощью этой технологии можно интегрировать в монолитном кристалле элементы аналоговой обработки сигнала (биполярные транзисторы), схемы стандартной CMOS-логики, а в некоторых случаях и мощные переключающие DMOS-транзисторы. Анализ функций отдельных блоков ECU показывает, что практически все они пригодны для интеграции в чипе, за исключением контроллеров и сильноточных элементов. На сегодняшний день интеграция контроллеров не представляется рациональной, так как плотность упаковки при использовании низковольтной CMOS-технологии почти на порядок больше, чем для SPT. Этот разрыв сохранится, вероятно, и в будущем. Кроме того, в SPT используется большее число масок, чем в стандартной CMOS-технологии, что является важным аргументом в пользу уменьшения издержек.

Так называемая "U-L-I диаграмма" (рис. 3) да╦т хорошую возможность классифицировать степень интеграции микросхем класса Smart-Power. Так называемые I-чипы содержат функции преобразования напряжения и ввода/вывода микроконтроллеров. Чипы типа L содержат дополнительные функции интерфейсов для датчиков или контактов, а также для управления микроконтроллерами (например, Сброс, Сброс по включению питания, Сторожевой таймер). Чипы типа U содержат практически все интегрируемые функции управления микроконтроллером, к которым, помимо уже описанных, относятся драйверы управления двигателями, лампами, реле и так далее, а также схемы управления и диагностики внешних сильноточных MOS-переключателей. Чипы типа U находят применение, прежде всего, в системах управления ABS и надувными подушками безопасности, которые должны обладать высокой степенью над╦жности. Для этих целей технология SPT уже проявила себя с очень хорошей стороны.

Рисунок 3. U-L-I диаграмма разделения ECU. Максимально высокая интеграция не всегда приводит к оптимуму

Все активные и пассивные системы безопасности невозможны без сложной электроники. Но в них полная диагностика всех частей систем является обязательной, а это, в сочетании с требуемой очень высокой над╦жностью, вед╦т к определ╦нной избыточности. Поэтому неудивительно, что уровень интеграции в таких ECU намного выше. На рис. 4 представлена схема электронного блока с 4 каналами управления надувными подушками безопасности (водитель, пассажир и две боковых). Чип включает все периферийные функции управления и контроля всех 4 каналов надувных подушек безопасности.

Рисунок 4. Мощная ИС включает все периферийные функции управления и контроля 4-канальной системы надувных подушек безопасности

При расч╦те производственных затрат, в зависимости от ожидаемого объ╦ма выпуска, получается, что I-чип регулятора напряжения, CAN-трансивер, управление контроллером (Window Watch-dog и Reset), а также дополнительные функции, обычно реализуемые в так называемом основном системном чипе (SBC), во многих ECU должны быть совмещены.

Разработка оптимального U-L-I0 варианта или так называемого "Application Specific Standard Products" (ASSP) является серь╦зной проблемой, разрешить которую в будущем можно лишь при тесном сотрудничестве между производителями автомобилей, систем управления и собственно кристаллов.

Особые качества требуют особых мероприятий

Если ECU должен содержать модуль для управления большими нагрузками, например стеклоподъ╦мниками, то оптимум издержек достигается другой схемой разбиения функций.

Такой модуль, наряду с имеющимися в каждом ECU регулятором напряжения, CAN-трансивером и так далее, может содержать устройства блокировки замков дверей (Door-lock), управления стеклоподъ╦мниками, управляющие интерфейсы, а в передних дверях, дополнительно, полное управление наружными зеркалами.

С точки зрения современных потребностей автомобильной электроники, фирма Infineon разработала свой модуль с оптимальными издержками и оптимальным разбиением функций.

Учитывая, что в двери автомобиля места предостаточно, не рационально повышать степень интеграции этого модуля, так как польза будет весьма незначительной.

Существенным параметром для изменения распределения функций и степени интеграции является мощность рассеивания в исполнительных механизмах устройства управления автомобиля. Оптимизация такого распределения удешевляет систему теплообмена, а улучшение условий отвода тепла, в свою очередь, приводит к существенному снижению расхода бензина.

Фраза "Полупроводники вместо вентилятора" выражает стратегию отделения автоэлектроники фирмы Infineon. Задачи управления сильноточными устройствами - стеклоподъ╦мниками и блокировкой дверей - решаются с использованием технологии TrilithIC. Изделия TrilithIC появились в 1996 году и базируются на использовании вертикальной Smart-MOS-Transistor-технологии и конструктива "чип за чипом".

В феврале 2001 года появилось второе поколение этих продуктов со значительно лучшими характеристиками и меньшими издержками при серийном производстве.

Для монолитных ИС преимущества TrilithIC ещ╦ более значительны. Мостовые микросхемы семейства BTS 78ХХ с очень низкими проходным сопротивлением, пожалуй, ещ╦ долго не будут такими же деш╦выми, как монолитные; здесь гибридные MCM с вертикальными чипами имеют явные преимущества. Особенно заметно это в мощных MOS-транзисторах, производимых по технологии OptiMOS. Здесь достигнуты большие успехи в уменьшении внутреннего сопротивления при одновременном увеличении над╦жности. На рис. 5 показана величина сопротивления Opti-MOS изделий в корпусе D2-Pack (TO220) в сравнении с главными конкурентами.

Рисунок 5. Остаточное сопротивление транзисторов OptiMOS в корпусе ТО220 в сравнении с основными конкурентами (С1, С2)

Вс╦ это необходимо учитывать при реализации даже классической схемы на базе традиционного контроллера со встроенными функциями ввода/вывода информации или аналого-цифрового преобразования.

Такая "распредел╦нная интеллектуальность" (Smart-Par-titioning) между силовой частью кристалла и контроллером условно показана на рис. 6. Тем не менее, эволюция имеет границы. При вс╦ возрастающей степени электрификации автомобилей потребление тока непрерывно раст╦т. И нужно понимать, что 12-В бортовая сеть уже в недал╦ком будущем не сможет удовлетворять всем требованиям.

Рисунок 6. Граница между микроконтроллером и периферийными схемами постоянно находится в движении. Оптимум "Smart-Partitioning" сдвигается в сторону высокой интеграции

Революция в автомобиле придет с фактором 3

В недал╦ком будущем начн╦тся революция в автомобилестроении.

В частности, рост требований к потреблению электроэнергии и охране окружающей среды дают ч╦ткое обоснование необходимости повышения мощности бортовой сети.

Мощность является одним из тр╦х факторов в пользу использования более высокого напряжения бортовой сети, а именно 42 В. Таким образом можно будет управлять более чем в 10 раз большей мощностью при таких же значениях сопротивления электронных коммутаторов.

При этом значительно уменьшается роль электромеханических реле, в основном из-за больших токов, возникающих при коммутации контактов. Вместе с тем, определяющим фактором в пользу электронных коммутаций является стоимость. На примере моста для управления двигателем стеклоподъ╦мника можно продемонстрировать преимущества 42-В бортовой сети (рис. 7).

Рисунок 7. Мощность потерь уменьшается пропорционально квадрату тока; при увеличении напряжения в три раза так изменяется требуемая величина остаточного сопротивления

Внедрение 42-В технологии уже не остановит разработчиков ни перед какими субфункциями, которые потребуется реализовать с помощью электроники в автомобиле. Таким образом электроника проникнет в такие классические области чистой механики, как мотор и трансмиссия, то есть туда, где есть потребность в линейных перемещениях и вращающихся моментах. Электрический ток легко превращается в механический момент, поэтому говорят об "электрических мускулах", которые могут быть реализованы в виде самостоятельных ECU (рис. 8) и мехатронных актуаторов (механико-электронных исполнительных механизмов).

Рисунок 8. Тр╦хфазный двигатель с "интеллектуальным" управлением особенно хорошо подходит для мехатроники; в диапазоне мощностей до 1 кВт в автомобиле имеется множество таких применений

В частности, множественные клиноременные передачи могут быть заменены децентрализованными, существенно более эффективными электрическими приводами.

Управляемые электронными устройствами двигатели в таких агрегатах приобретают особенное значение, поскольку компактны и обладают высокой над╦жностью.

В настоящее время энергия, произвед╦нная в двигателе внутреннего сгорания с механической коробкой передач/трансмиссией, распределяется в соответствии с рис. 9 (слева).

Рисунок 9. Сравнение - сегодня и завтра: новая 42-В бортовая сеть революционизирует архитектуру современного автомобиля

Следующие варианты будут выглядеть по-иному (рис. 9, справа), обеспечивая децентрализованное распределение энергии для всех агрегатов. Это является определяющим для новой архитектуры, которая способна обеспечить не только длительную постоянную мощность для всех новых потребителей, но и пиковую импульсную мощность, равную по порядку величины мощности всего двигателя внутреннего сгорания, с помощью так называемой системы Super-Caps.

Таким образом полностью "электрифицируются" процессы запуска двигателя и все вращающие моменты рулевого управления. Распределение энергии обеспечивает один модуль управления на базе интеллектуальных силовых микросхем. Сегодня сильноточный модуль фирмы Infineon PROFETS (protected-FET) управляет токами до 1000 A и является наилучшим для подобных применений.

Такое изменение парадигмы обусловливает использование "умных" микросхем на более широком фронте.

Речь может идти о других "классических" автомобильных приложениях, близких к бытовой электронике, например, аудиотехнике. Здесь механические устройства, например, проигрыватель компакт-дисков или кассет заменяются на MPEG3-проигрыватель, зеркала - цифровой или видеокамерой, видеомагнитофон - ж╦стким диском или DVD. В скором времени даже вращающийся ж╦сткий диск вынужден будет конкурировать с оптическими носителями данных или электронной памятью больших объ╦мов.

Новая архитектура автомобиля содействует развитию многих новых, высокоэффективных приложений, а также снижению выбросов вредных веществ. Например, двигатель внутреннего сгорания может начинать работу только то-гда, когда число оборотов старт╦ра достигло определ╦нного значения.

При оптимизированной системе впрыска топлива существенно сокращается расход бензина при городском цикле движения в так называемом режиме "Start-Stop-Drive" (мотор выключается при каждой остановке на светофоре и затем перезапускается электрически). В недал╦ком будущем, когда произойд╦т замена всех клапанов и вентилей на электромагнитные, в бензиновых системах прямого впрыска (GDI - gasoline direct injection) или в дизельных (DDI - disel direct injection) тенденция к оптимизации расхода топлива сохранится. Механическую связь педали акселератора и клапана карбюратора или системы управления впрыском заменят существенно более над╦жные электронные блоки (drive by wire). Прорабатывается даже полная электронная гидравлика для тормозных систем, а также замена механического рулевого управления электронным.

Однако, для производства такие процессы, как подключение электроники к гидравлике, пока ещ╦ весьма дорогостоящи. Но когда это случится, динамику шасси будут отслеживать "умные" амортизаторы. Кроме того, будет совершенствоваться обычная ABS, дополняя объедин╦нную систему стабилизации управляющим воздействием на систему управления двигателем.

Технологии "интеллектуальной" силовой электроники для автомобиля с 42-В бортсетью

Отделение автоэлектроники фирмы Infineon уже в течение 5 лет работает над созданием оптимальных решений для грядущего перехода на 42-В бортсеть, разрабатывая новые технологии производства самих кремниевых пластин и технологию корпусирования.

Так, например, заново разработан MOS-транзистор для высокопроизводительных систем отопления, который помимо повышенных требований к защите, должен обеспечивать контроль температуры в реальном времени. Эта задача решена с помощью структуры "чип на чипе", выполненной с использованием модифицированной технологии OptiMOS+.

Сегодня у фирмы имеется полная палитра технологий, ориентированная на пробивное напряжение 75 В. Разработаны специализированные технологии для силовых MOS-транзисторов, интеллектуальных переключателей (Smarte High Side и Low Side), модулей управления электрическими двигателями, DC/DC-преобразователей, коммуникационных, интерфейсных и управляющих систем. Поэтому можно с уверенностью сказать, что практически весь ряд продукции для всех систем современного автомобиля с 42-В бортсетью прош╦л испытания и готов к использованию. В настоящее время уже полностью закончена разработка целого ряда DC/DC-преобразователей, которые понадобятся особенно в переходный период. Они отличаются чрезвычайно низким уровнем электромагнитных излучений.

Новая концепция - системная, е╦ техническая база определяется теперь в тесном сотрудничестве с большинством ведущих производителей автомобилей, для чего была создана специальная международная группа. В распоряжение этой группы до конца 2001 года поступят образцы всей продукции, включая модуль ECU.

Выводы

Эволюция в автоэлектронике к более высокой интеграции полупроводников и прогрессивной системной интеграции наталкивается на вс╦ большее количество физических границ (внутреннее сопротивление; температурная прочность контроллеров; плотность элементов и проводников и многое другое), поэтому до истинно монолитного решения ещ╦ предстоит пройти трудный путь.

В будущем оптимальные решения будут постоянно меняться - синхронно с быстрым развитием ключевых технологий. Однако во всех случаях основополагающим моментом является - и это абсолютно неизменно - оптимизация издержек совокупной системы, что будет определять направление развития и возможность сравнения при сохранении общей над╦жности систем. Революция в автоэлектронике возможна только при реализации множества дополнительных возможностей в "интеллектуальной" силовой электронике. Поэтому доля использования полупроводников в автомобиле, которая с 1998 до 2003 года увеличится до 9,8%, в период 2005√2010 гг. значительно возраст╦т, и в частности, за сч╦т "интеллектуальной" силовой электроники.

Для скорейшего внедрения 42-В техники и использования всех преимуществ новой концепции важно тесное и эффективное сотрудничество производителей полупроводников с производителями и поставщиками автомобилей, так как их специфические ноу-хау могут быть использованы только при тесном эволюционном контакте.

╚Design&Electronik╩, февраль 2001 г.