Switch-urile bazate pe semiconductori, utilizate ca elemente de siguranță, permit sisteme de distribuție a energiei electrice cu disponibilitate ridicată. Cu toate acestea, în timpul dezvoltării, trebuie să se ia în considerare eliminarea interferențelor, care se realizează printr-o izolare rapidă a defecțiunilor (problemelor). În plus, switch-urile îndeplinesc funcția de protecție a cablurilor. Familia EiceDRIVER™ APD de la Infineon Technologies, compatibilă cu ISO 26262, se numără printre produsele potrivite pentru implementarea acestor elemente de siguranță.
Sistemele de asistență pentru șoferi din ce în ce mai avansate, sistemele “X-by-wire” și conducerea automată au ca rezultat noi cerințe de siguranță funcțională pentru dezvoltatori. Potrivit ISO 26262:2018, aceasta include, de asemenea, asigurarea unei surse de alimentare cu disponibilitate ridicată pentru sistemele de asistență a șoferului prin intermediul sistemului de distribuție a energiei (PDS). La fel de importantă este și absența interferențelor altor componente și sisteme cu sistemul de distribuție a energiei electrice, care poate fi obținută prin introducerea unor elemente de siguranță care izolează anomaliile în mai puțin de 100 µs până la 500 µs. Implementarea soluțiilor cu semiconductori ne permite să atingem aceste obiective.
Megatendințele din industria auto necesită sisteme electronice fiabile
Figura 1: Interacțiunea megatendințelor din industria auto transformă sistemul de distribuție a energiei electrice (PDS – Power Distribution System) al vehiculului într-o arhitectură zonală de subsisteme cu disponibilitate ridicată. Controlerele zonale formează aici interfața dintre distribuția semnalelor și a datelor și distribuția energiei în arhitectura E/E. (© Infineon Technologies)
Trăim într-o epocă a intensificării digitalizării. Acest lucru influențează, totodată, mobilitatea: Vehiculele moderne sunt conectate în permanență la cloud și primesc actualizări de software la intervale regulate. Prin urmare, efectul are un impact semnificativ asupra nivelului de comunicație al arhitecturii electrice-electronice (E/E), care evoluează din ce în ce mai mult spre un concept de zonă cu un computer central. Electrificarea grupului motopropulsor conduce la un sistem de distribuție a energiei electrice cu mai multe clase și surse de tensiune, permițând noi concepte de distribuție descentralizată a energiei electrice în vehicul. Totuși, cea mai mare influență asupra sistemului de distribuție a energiei și a sistemelor electrice și electronice asociate este dată de numărul tot mai mare de aplicații moderne pentru autovehicule, cum ar fi sistemele de asistență pentru șofer, sistemele “X-by-wire” și conducerea automată. Pentru a le implementa, trebuie să se ia în considerare fiecare aspect al siguranței funcționale în sistem. Persoanele care utilizează aceste vehicule trebuie să se simtă în siguranță și să poată avea încredere în interacțiunea sistemelor. Ne referim la acest lucru ca la o electronică fiabilă – cu alte cuvinte, o electronică foarte disponibilă, fiabilă, robustă și sigură în orice condiții. La prima vedere, fiecare dintre aceste tendințe afectează doar subdomenii ale arhitecturii E/E. Însă, privite în ansamblu, ele au o influență enormă asupra dezvoltării arhitecturale a sistemului de distribuție a energiei electrice (figura 1).
Sistemul de distribuție a energiei electrice cu disponibilitate ridicată
Sistemele de astăzi sunt proiectate, de obicei, pentru a fi pasive la defecțiuni. Aceasta înseamnă că, în cazul unei defecțiuni, sistemul individual trece într-o stare de siguranță fără alimentare și este izolat de întregul sistem. În acest fel, se evită efectele negative ale perturbațiilor asupra întregului sistem. Dar șoferul trebuie să poată prelua imediat controlul ca plan de rezervă și, în funcție de tipul de defecțiune, să aducă vehiculul într-o stare sigură. Pentru aceasta, șoferul are nevoie de acces mecanic la sistem, ceea ce nu mai este posibil în cazul sistemelor X-by-wire și al vehiculelor autonome. Prin urmare, în aceste cazuri, toate sistemele trebuie să fie cu disponibilitate ridicată – vorbim, de asemenea, de sisteme ‘fail-active’ (defecțiune activă) sau ‘fail-operational’ (defecțiune operațională) – pentru a aduce vehiculul, independent, într-o anumită perioadă de timp, la o stare de siguranță. În acest fel, sistemele cu disponibilitate ridicată nu numai că evită sau atenuează potențialele cazuri de defecțiune, dar permit, de asemenea, o conducere sigură și automată în orice condiții.
Sistemul de distribuție a energiei este deosebit de important pentru sistemele cu disponibilitate ridicată. Acesta permite alimentarea cu energie a funcțiilor individuale ale vehiculului relevante pentru siguranță, inclusiv frânarea, direcția și percepția mediului înconjurător și, prin urmare, trebuie să fie, de asemenea, disponibil. Datorită funcțiilor vehiculului relevante pentru siguranță, cerințele de siguranță sporite și cerințele de dezvoltare corespunzătoare în conformitate cu ISO 26262:2018 sunt moștenite de sistemul de alimentare al vehiculului. La rândul lor, cerințele pentru o sursă de alimentare cu disponibilitate ridicată au un impact semnificativ asupra arhitecturii sistemului de distribuție a energiei electrice a vehiculului, care necesită abordări și funcționalități de soluții bazate pe semiconductori. Cerințele de siguranță funcțională, de exemplu, conducerea autonomă și X-by-wire, conduc la o cerință de disponibilitate a rețelei de alimentare de la bordul vehiculului în ASIL D.
Figura 2 prezintă la nivel schematic, cu titlu de exemplu, un PDS de 12V care constă dintr-un domeniu QM și două canale disponibile și suficient de independente de distribuție a energiei (canal PD) în ASIL B(D). Canalele PD sunt codificate prin culoare în funcție de atribuirea lor ASIL. Funcțiile relevante pentru siguranță, care trebuie să fie disponibile, sunt proiectate cu redundanță corespunzătoare și sunt alimentate fiecare de la canalul PD disponibil. Acestea sunt afișate cu codul de culoare “Available” (Disponibil). În același timp, funcțiile legate de siguranță pot fi sursa unei supratensiuni sau a unei subtensiuni în PDS. Niciuna dintre aceste surse de defecțiune nu poate avea un efect asupra PDS, iar interferențele trebuie să fie prevenite prin integritatea ASIL B, în conformitate cu cerința de disponibilitate pentru canalul PD. Izolarea interferențelor trebuie să fie asigurată și este indicată, în consecință, prin codul de culoare “freedom from interference” (lipsa interferențelor).
Un dispozitiv de stocare a energiei pentru fiecare canal PD disponibil asigură energia și puterea necesare pentru a efectua, cel puțin, o manevră cu risc minim după o defecțiune inițială, până când vehiculul atinge o stare de siguranță. Monitorizarea continuă a stării de încărcare, a “Stării de sănătate” și o predicție a puterii sunt esențiale. Din nou, în cazul unei defecțiuni, trebuie să se asigure absența interferențelor la nivelul PDS.
Figura 2: Arhitectura unui sistem de distribuție a energiei electrice 2x ASIL B(D), inclusiv atribuirea disponibilității și a absenței interferențelor. (© Infineon Technologies)
Figura 2 arată că energia necesară în stare normală este furnizată, de obicei, prin intermediul generatorului, fără o cerință de disponibilitate specifică. Cu toate acestea, trebuie să se asigure că nu există interferențe în ceea ce privește subtensiunea, dar și supratensiunea, la PDS-ul disponibil. În plus, numeroase sarcini standard fără cerințe de siguranță dedicate – în acest caz etichetate ca funcții QM – sunt conectate la sistemul de distribuție a energiei electrice. Din diverse motive, acestea trebuie să fie alimentate de canalul PD disponibil. În același timp, funcțiile nu pot asigura, frecvent, absența interferențelor la sistemul de distribuție a energiei electrice cu integritatea ASIL B corespunzătoare. Pentru toate sarcinile care nu oferă o absență satisfăcătoare a interferențelor față de PDS, se introduc așa-numitele mecanisme de siguranță sau elemente de siguranță (SE) în conformitate cu ISO 26262:2018. Aceste SE-uri sunt, de asemenea, necesare pentru a asigura absența interferențelor între canalele PD.
SE trebuie să protejeze canalul de distribuție a energiei disponibile împotriva unor defecțiuni precum subtensiunea, dar și supratensiunea și să permită transmiterea în siguranță a energiei către funcțiile disponibile, relevante pentru siguranță.
Semiconductorii ca elemente de siguranță
Cerințele esențiale pentru un element de siguranță sunt detectarea rapidă, răspunsul rapid și izolarea sigură a defecțiunilor. Din acest motiv, SE trebuie să măsoare curentul sau tensiunea, să interpreteze valoarea și să acționeze în consecință pentru a izola fluxul de energie către defecțiune. Standardizarea, cum ar fi ISO 16750-2 sau specificațiile OEM pentru componentele electrice și electronice din autovehicule, impun ca defecțiunile să fie izolate într-un interval de timp cuprins între 100 µs și 500 µs. Cu toate acestea, nici o siguranță clasică, și nici un releu nu sunt potrivite în acest scop. O siguranță fuzibilă izolează o defecțiune într-un interval de timp cuprins între 10 ms și 100 ms, iar unui releu îi trebuie între 1 ms și 10 ms. În schimb, switch-urile din semiconductori pot atinge, de obicei, timpi de deconectare într-un interval mai mic de două cifre µs. În plus, switch-urile inteligente bazate pe semiconductori integrează funcțiile de măsurare, interpretare și acțiune fără componente suplimentare, cum ar fi microcontrolerele. În comparație cu un releu, acestea pot deconecta autonom fluxul de energie pe baza unui supracurent sau a unei subtensiuni. Acest lucru este conform cu ISO 26262:2018, inclusiv cu capabilitatea extinsă de diagnosticare pentru a acoperi tipurile de defecțiuni.
Switch-urile inteligente bazate pe semiconductori care operează ca SE în sistemul de distribuție a energiei electrice pot înlocui alte componente. De exemplu, acestea pot înlocui, printre altele, siguranțele fuzibile și pot prelua protecția cablurilor. Într-un switch semiconductor inteligent, integrarea protecției cablurilor este implementată pe baza unei funcții curent-timp, care optimizează costurile sistemului. Pentru aceasta, protecția trebuie să se bazeze pe o măsurare a curentului în domeniul timp și pe o transformare în domeniul temperatură printr-o prelucrare digitală în funcție de curba izotermă a cablului. Datorită unei măsurări foarte precise a curentului, a curbelor izoterme ajustabile ale cablului și a diferențelor sensibil mai mici legate de variațiile survenite în producție precum și a efectelor de îmbătrânire, switch-urile inteligente cu semiconductori obțin toleranțe de protecție a cablurilor semnificativ mai mici în comparație cu siguranțele fuzibile. În unele cazuri, precizia sporită permite selectarea unei secțiuni transversale de cablu mai subțiri pentru aceleași condiții de sarcină. Ca urmare, switch-ul solid-state nu numai că preia funcția siguranței, dar o și îmbunătățește și permite reducerea costurilor sistemului. Deoarece tot mai mulți producători de echipamente originale evaluează un eveniment termic în cadrul acestui standard, caracteristica trebuie să fie conformă cu ISO 26262:2018.
În comparație cu siguranțele fuzibile, un switch semiconductor inteligent are un anumit consum de curent inerent pentru a transporta energia. Cu toate acestea, consumul său trebuie menținut la un nivel cât mai scăzut posibil, în special dacă vehiculul se află parcat, unde sarcinile individuale trebuie să fie alimentate permanent la un consum redus de energie prin intermediul switch-ului. În acest sens, se implementează în switch-ul semiconductor un mod de operare special, denumit modul inactiv (idle mode). Regimul inactiv are un consum de curent intrinsec într-un interval mai mic de două cifre µA, de obicei mai mic de 30 µA. În timp ce se află în staționare, modul inactiv nu trebuie să conducă la o restricție a caracteristicilor și funcționalităților de protecție integrate. Prin urmare, protecția cablului trebuie să fie încă în funcțiune. În plus, nu trebuie să existe căderi de tensiune semnificative în cazul în care sarcina necesită curentul său nominal.
Implementarea în distribuitorul electronic de putere
Figura 3: Schema unui centru electronic de distribuție a energiei electrice într-un sistem de distribuție a energiei electrice cu disponibilitate ridicată. Liniile de alimentare care au curenți deosebit de mari sunt configurate cu o soluție discretă constând dintr-un driver de poartă și un MOSFET. (© Infineon Technologies)
Figura 3 prezintă o schemă bloc a unui centru de distribuție electronică a energiei în cadrul sistemului de distribuție a energiei cu disponibilitate ridicată. Centrul de distribuție electronică a energiei nu numai că înlocuiește cutia clasică de pre-fuzibile, releele și cutiile de siguranțe fuzibile, dar include și elementele de siguranță care permit eliminarea interferențelor. Acestea au structura clasică a unei unități de control electronic cu o sursă de alimentare, un microcontroler, o interfață de comunicație și fie un driver de poartă + MOSFET, fie un switch high-side ca elemente de siguranță. Pentru implementarea centrului de distribuție a energiei electrice, pot fi utilizate soluțiile complete de seturi de circuite integrate de la Infineon.
Cu EiceDRIVER™ 2ED2410-EM, Infineon lansează un driver de poartă inteligent MOSFET high-side cu detectare rapidă a defecțiunilor și izolare în termen de 20 µs, protecție ajustabilă a cablului și mod inactiv pentru staționare. O completare optimă a driverului de poartă este familia de MOSFET cu canal n OptiMOS™ de 40V. Împreună, această combinație oferă elementul de siguranță necesar pentru curenți de sarcină care variază de la 30A la câteva sute de A. Driverul de poartă dispune de două canale de ieșire pentru a suporta diferite structuri MOSFET, fie în configurația ‘back-to-back’ cu o sursă comună și o cale de preîncărcare, fie cu drenă comună. O capabilitate ridicată de curent de poartă permite pornirea și oprirea rapidă a mai multor MOSFET-uri paralele pentru a transporta curenți de mai multe sute de A. Capabilitatea ridicată de curent de poartă asigură, de asemenea, că defectele pot fi izolate, tipic, în 20 µs, semnificativ mai rapid decât cele 100 µs până la 500 µs necesare pentru a păstra absența interferențelor. Curenții pot fi măsurați în ambele direcții, în timp ce se monitorizează tensiunea drenă-sursă pentru a identifica, printre altele, o stare de sarcină deschisă. În plus, driverul de poartă are un domeniu de operare până la un minim de 3V. Prin aceasta, sunt îndeplinite cerințele de pornire la rece ale ISO16750-2, precum și specificațiile de sarcină ale producătorilor OEM.
Perspective
Prin conectarea la cloud, vehiculele definite prin software vor permite, în viitor, optimizarea continuă a funcțiilor vehiculelor și a siguranței acestora. Întreținerea predictivă a sistemelor sau anticiparea defecțiunilor componentelor este deja un standard în aviație și va deveni din ce în ce mai importantă și în sectorul auto. Deosebit de interesante în acest context ar putea fi ciclurile de diagnosticare în timpul unui proces de încărcare. De exemplu, datele de diagnosticare ar putea fi colectate de la interfețele semiconductorilor, procesate în cloud și comparate cu cele ale parcului auto pentru a trage concluzii cu privire la îmbătrânirea sistemelor sau pentru a optimiza intervalele de întreținere.
Autori:
Christoph Schulz-Linkholt, Lead Principal System Architect Power Distribution Infineon Technologies
Dr. Thomas Blasius, Senior Director Automotive Application Marketing & Management Infineon Technologies
Infineon | https://www.infineon.com
