Il regolatore c.c./c.c. giusto consente di soddisfare i requisiti ADAS avanzati

La proliferazione di sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e di infotainment nelle vetture ha trasformato i veicoli in complessi sistemi elettronici su ruote che richiedono rail c.c. a più livelli e senza rumore. Tuttavia, la batteria tipica di un veicolo è tutt'altro che stabile nel suo ambiente operativo e per questo i progettisti devono prestare particolare attenzione alla progettazione del sistema di alimentazione.

I vari sistemi ADAS includono il controllo di crociera adattivo, la prevenzione delle collisioni, la navigazione satellitare, telecamere posteriori, l'avviso di abbandono di corsia, il controllo della stabilità e la connettività, mentre l'infotainment include display e lettori multimediali. La regolazione dell'alimentazione c.c. per queste funzioni dalla batteria a 12 V dell'auto (e in alcuni casi anche a 24 o 48 V) è un compito arduo a causa del rumore di uscita della batteria, dei picchi di tensione, dei transitori derivanti dal riversamento del carico, degli estremi termici e del ciclaggio, tramite l'elettronica in luoghi angusti e caldi, che devono sopportare vibrazioni e urti.

Inoltre, i circuiti integrati dei convertitori c.c./c.c. che regolano l'uscita della batteria per fornire i diversi rail c.c. necessari per le varie operazioni ADAS devono funzionare in condizioni elettriche e ambientali ostili. Devono anche fornire una regolazione rigorosa ad alta efficienza, con basse correnti di quiescenza e una generazione minima di EMI.

Questo articolo descriverà l'ambiente e le condizioni operative e introdurrà gli standard automotive sviluppati per contribuire a mitigare i problemi. Descriverà quindi i regolatori di potenza e i convertitori c.c./c.c. che aiuteranno a soddisfare i requisiti di distribuzione dell'energia elettrica per il settore automotive e illustrerà le modalità di utilizzo.

Il vano motore non è un bell'ambiente

L'automobile è un ambiente difficile e insidioso per l'elettronica (e anche per i componenti meccanici) che interessa quattro aree: elettrica, termica, urti/vibrazioni e spazio disponibile. Entriamo brevemente nel merito:

Aspetti elettrici: il rail non condizionato della batteria non è una sorgente semplice e costante di corrente continua come nella maggior parte delle batterie, ma è soggetto a cadute di tensione all'avviamento a freddo (Figura 1), a picchi di tensione dovuti a riversamento del carico (quando il carico collegato all'alternatore viene improvvisamente scollegato) (Figura 2 e Tabella 1), al rumore e ad EMI/RFI.

Figura 1: Il tipico profilo della tensione della batteria in condizioni di avviamento a freddo non assomiglia molto a quello dell'uscita della batteria in applicazioni meno impegnative. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Figura 2: Il tipico impulso derivante dal riversamento del carico è caratterizzato da un aumento rapido, una caduta più lenta e una temporizzazione variabile. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Parametro Sistema a 12 V Sistema a 24 V U8 65 ~ 87 V 123 ~ 174 V Rj 0,5 ~ 4 Ω 1 ~ 8 Ω td 40 ~ 400 ms 100 ~ 350 ms tr

Tabella 1: I valori tipici di un impulso derivante dal riversamento del carico non soppresso (qui, definito da ISO7637-2:2004[1]-5) per un sistema a batteria da 12 e 24 V. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Pertanto, i regolatori c.c./c.c. locali devono tener conto di queste realtà: funzionare entro un ampio intervallo di tensione di ingresso (V_IN) e tollerare il collegamento a polarità inversa della batteria. Inoltre, questi regolatori devono avere una corrente di quiescenza molto bassa per ridurre al minimo l'esaurirsi della batteria quando l'auto è "spenta".

La ragione è che molte di queste funzioni ADAS (e altre) non sono fisicamente scollegate dalla batteria, ma utilizzano invece un sistema on/off "dolce" e quindi quando sono in stato "off", sono, in effetti, nello stato di quiescenza. Nel complesso, il consumo in standby può scaricare la batteria se l'auto non viene usata per settimane.

Aspetti termici: nel vano motore le temperature possono variare da sotto zero (con l'auto parcheggiata in inverno) a molto oltre i 150 °C (fino a 200 °C), a seconda delle condizioni operative e del posizionamento della sonda (Figura 3). Anche se altre aree dell'auto come l'abitacolo non si scaldano così tanto, possono essere comunque interessate da temperature abbastanza elevate se l'auto è parcheggiata al sole. Quando le temperature esterne vanno da 25 °C a 40 °C, la temperatura all'interno di un'auto parcheggiata sotto il sole può salire a 50 °C e anche a 75 °C.

Figura 3: Temperatura del veicolo misurata in vari punti di una Chevrolet Silverado che percorre una strada in salita a 65 km/h; in molti punti supera i 150 °C. (Immagine per gentile concessione di Pelican Parts)

Aspetti relativi a urti e vibrazioni: gli urti meccanici e le vibrazioni sono costanti; l'analisi meccanica di base mostra che i componenti più piccoli e leggeri sono meno soggetti a questi disturbi e sono anche più facili da ammortizzare e dotare di assorbitori di urti in fase di montaggio, se necessario. Inoltre, tali componenti richiedono circuiti stampati più piccoli, con i pregi che ne conseguono.

Dimensioni: le dimensioni compatte hanno un altro grande vantaggio, non legato agli aspetti relativi a urti e vibrazioni. Dato l'inviluppo fisico fisso che racchiude l'auto, trovare dove posizionare i circuiti della funzione ADAS e, in molti casi i relativi sensori, non è semplice. Mentre alcuni di questi circuiti possono essere collocati in quasi tutti i punti liberi, molti sensori ADAS e circuiti di condizionamento del segnale front-end devono essere collocati in punti specifici, anche se l'elettronica di supporto può trovarsi altrove.

Gli standard automotive definiscono la sfida

Le automobili hanno tre principali fonti di alimentazione: elettrica (EV), ibrida (HEV) e, ovviamente, il motore a combustione interna. Sono inoltre disponibili in un'ampia gamma di dimensioni, stili, capacità e costi. Il settore ha definito gli standard per i livelli di rischio e le prestazioni per componenti elettronici, software e sottosistemi. Certificando i circuiti integrati di base (CI) a vari livelli, i progettisti sanno che dispongono di componenti base che possono essere utilizzati per "costruire" circuiti stampati, assiemi, sottosistemi e funzioni complete con prestazioni definite.

Lo standard dominante per questa capacità di definire le prestazioni è lo schema ASIL (Automotive Safety Integrity Level), un approccio di classificazione del rischio multilivello definito dalla norma ISO 26262, lo standard di sicurezza funzionale per i veicoli stradali. Al livello più alto vi è ASIL-D, che rappresenta il massimo grado di rischio automotive, che richiede quindi il massimo grado di garanzia per soddisfare i requisiti di sicurezza (Figura 4). In ordine decrescente al di sotto del livello superiore della classifica ASIL-D vi sono i livelli -C, -B e -A, che definiscono i gradi intermedi di pericolo e di garanzia richiesta. Da ultimo vi è la classificazione di ASIL QM per applicazioni che non presentano rischi automotive e che quindi non hanno requisiti di sicurezza da gestire (la radio, per esempio).

Figura 4: ASIL-D attraverso le funzioni automotive di classificazione ASIL-A in termini di criticità per la sicurezza del veicolo, il funzionamento, il controllo e altri fattori. ASIL-D è il più severo. (Immagine per gentile concessione di Mentor Graphics)

I fornitori di componenti progettati per le funzioni ADAS, compresi i regolatori c.c./c.c., testano e certificano che i loro dispositivi soddisfano e superano i livelli specifici dei requisiti prestazionali ASIL. Fra questi vi sono quelli relativi alla temperatura, alla vibrazione e alle modalità di avaria.

Un altro standard pertinente, AEC-Q100, è una serie di sequenze di test di certificazione per i circuiti integrati sviluppati dall'Automotive Electronics Council (AEC). Stabilisce gli standard per la certificazione dei pezzi e i sistemi di qualità sia per i prodotti nuovi che per quelli aggiornati. AEC-Q100 stabilisce anche le temperature nominali con classi di designazione dei gradi definite per i componenti, dove il grado 0 è il più ampio (Tabella 2).

Tabella 2: I valori nominali AEC-Q100 per la temperatura stabiliscono gli intervalli di funzionamento di base, con i relativi suffissi. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor Corp.)

Regolatori c.c./c.c. che tengono conto dei requisiti ADAS

Gli impegnativi requisiti delle funzioni ADAS richiedono l'impiego di circuiti integrati, compresi i regolatori c.c./c.c., che tengono conto delle esigenze di questa applicazione in merito alle considerazioni elettriche, termiche e dimensionali. Questi componenti sono progettati con l'obiettivo di soddisfare molteplici (se non tutti) obiettivi ASIL per il settore automotive relativi agli aspetti elettrici, termici, di urti/vibrazioni e spazio disponibile.

Ad esempio, MAX16930 di Maxim Integrated è un regolatore c.c./c.c. da 36 V che assorbe solo 20 µA di corrente di quiescenza (Figura 5). Questo dispositivo di commutazione a uscita tripla per il settore automotive integra due controller di step-down sincroni e un controller "pre-boost" di step-up asincrono, che forniscono fino a tre rail di alimentazione a controllo indipendente: un pre-boost con tensione di uscita regolabile, un controller buck con uscita fissa a 5 V o da 1 a 10 V e un controller buck con uscita fissa a 3,3 V o regolabile da 1 a 10 V.

Figura 5: La funzione di pre-boost del regolatore buck a uscita multipla MAX16930 gli consente di funzionare durante i periodi di avviamento a freddo, quando la tensione della batteria scende a valori molto bassi (giallo). (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

MAX16930 funziona con un rail di alimentazione con un ampio intervallo da 3,5 V a 36 V, mentre il pre-boost estende il funzionamento fino a 2 V (in modalità bootstrap), necessario per prestazioni di avviamento a freddo (anche in questo caso, Figura 5). I controller buck e pre-boost possono fornire fino a 10 A l'uno di corrente di uscita e possono essere controllati in modo indipendente. La frequenza di commutazione regolabile dall'utente, da 200 kHz fino a 2,2 MHz e con funzionamento ad ampia divisione di spettro, garantisce l'assenza di interferenze in banda AM.

MAX16930 include una scelta di impostazione del clock che consente ai progettisti di ridurre al minimo i problemi associati alle interferenze dovute ai clock in CI, così come le frequenze di battimento che risultano dall'uso di più clock di sistema. Gli utenti devono scegliere tra tre modalità di funzione della frequenza:

1. Funzionamento a frequenza fissa base, alla frequenza definita dall'utente.
2. Modalità Skip, che disabilita il clock quando il carico è leggero e viene richiamato solo se necessario per mantenere la regolazione della tensione di uscita.
3. Sincronizzazione con un clock esterno. Il CI può essere commutato "al volo" tra queste modalità, ma ciò richiede più software per la sua gestione.

Un'altra opzione che questo circuito integrato offre è quella di richiamare il clocking a divisione di spettro per ridurre al minimo le EMI generate dal clock che si verificano a una singola frequenza, facendo vibrare il clock in modo casuale attorno ad un valore di frequenza nominale. L'energia indesiderata delle EMI viene distribuita su uno spettro più ampio, ma con un'ampiezza di picco inferiore a ogni singola frequenza.

Gli utenti devono inoltre decidere, in fase di progettazione del sistema, il "valore" del regolatore lineare interno (LDO), che può essere bypassato collegandolo a un rail esterno.

Da un lato, l'uscita LDO è ultra silenziosa e utile per alimentare un piccolo carico localizzato che richiede un rumore del rail minimo; dall'altro lato, è meno efficiente dei regolatori a commutazione all'interno di MAX16930.

Per far fronte al problema dell'ingombro, una tecnica comune è quella di aumentare il numero di uscite distinte da un singolo circuito integrato. LT8603 di Analog Devices è un dispositivo a quattro uscite che combina due regolatori di commutazione step-down della tensione di ingresso elevata, un regolatore di step-down della tensione di ingresso bassa e un controller di boost, il tutto in un contenitore di 6×6 mm.

Con il controller di boost configurato per fornire alimentazione V_IN, il circuito integrato offre tre uscite regolate anche quando la tensione d'ingresso di boost scende al di sotto delle tensioni di uscita regolate, come ad esempio in situazioni di avviamento a freddo (Figura 6).

Figura 6: LT8603 può essere configurato per funzionare secondo le specifiche e fornire la massima uscita c.c. nonostante le condizioni di avviamento a freddo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il circuito integrato opera da rail di alimentazione fino a 42 V, commutando alle frequenze selezionate dall'utente che vanno da 250 kHz a 2,2 MHz per ridurre al minimo le EMI. L'EMI irradiata (per i test di emissione irradiata CISPR 25 con limiti di picco di Classe 5) è inferiore ai limiti consentiti (segmenti corti orizzontali) (Figura 7).

Figura 7: L'EMI irradiata di LT8603 per i test di emissione irradiata CISPR 25 con limiti di picco di Classe 5, utilizzando un'alimentazione di 14 V e con commutazione a 2 MHz, mostra che le sue emissioni sono inferiori ai limiti consentiti (segmenti corti orizzontali). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I quattro canali di questo circuito integrato sono alimentati in modo indipendente e i progettisti devono decidere come collegarli per soddisfare gli obiettivi del sistema e del circuito. Ad esempio, l'uscita boost può essere configurata per fornire la tensione di ingresso ai convertitori buck, il che produce tre uscite rigorosamente regolate anche se la tensione di ingresso boost scende al di sotto delle uscite buck regolate, come probabilmente accadrà durante una situazione di avviamento a freddo. Tuttavia, il controller in modalità boost può essere pilotato da un'uscita del controller buck oppure può essere configurato come convertitore SEPIC, nel qual caso il circuito integrato fornisce fino a quattro uscite rigorosamente regolate.

Il campo di frequenza di commutazione dei quattro canali è un altro fattore che i progettisti devono stabilire, e devono farlo prima di selezionare la frequenza dell'oscillatore, che può essere impostata tramite un singolo resistore da 250 kHz a 2,2 MHz. Frequenze più basse offrono in genere una migliore efficienza e un più ampio intervallo di funzionamento della tensione di ingresso grazie alle minori perdite di commutazione e alla minore sensibilità ai vincoli di temporizzazione, come i tempi minimi di accensione e spegnimento.

Tuttavia, frequenze di commutazione più elevate consentono l'uso di componenti più piccoli e allontanano il rumore di commutazione dalle bande di frequenza sensibili, come la radiofrequenza AM. Il rovescio della medaglia è la riduzione dell'efficienza.

Alimentazione di sensori ADAS ad alte prestazioni

Alcune funzioni ADAS hanno front end dei sensori ad alte prestazioni e quindi richiedono un rumore più basso o una risposta ai transitori più veloce di quelli che la maggior parte dei regolatori buck di commutazione sono in grado di fornire. Il regolatore lineare a bassa caduta di tensione MAX15027 di Maxim (certificato secondo AEC-100 Grado 1) è studiato per queste situazioni. Funziona a partire da tensioni di ingresso anche di soli 1,425 V e fornisce fino a 1 A di corrente di uscita continua con una tensione di diseccitazione massima di soli 225 mV. La sua ampia larghezza di banda supporta la risposta rapida ai transitori, limitando così la deviazione della tensione di uscita a 15 mV con uno stadio di carico di 500 mA, utilizzando solo un condensatore ceramico da 4,7 μF sull'uscita.

Alcune precauzioni per ottenere prestazioni ottimali dell'LDO

Anche se MAX15027 è un LDO, ed è una delle topologie di regolatori di potenza più semplici da utilizzare, sono necessarie alcune precauzioni. In primo luogo, sia il condensatore ceramico di ingresso da 1 μF che quello ceramico di uscita da 4,7 μF devono essere di alta qualità, con una bassa ESR nell'ordine di milliohm; se la ESR è dell'ordine di ohm o superiore, la risposta ai transitori di linea e carico dell'LDO sarà compromessa e potrebbero esserci problemi di stabilità interna dell'anello LDO e la possibilità di oscillazione propria.

In secondo luogo, il layout della scheda a circuiti stampati deve tenere conto dei problemi di dissipazione del calore e della temperatura, dato che gli LDO hanno un rapporto di dissipazione in funzione delle dimensioni del loro contenitore relativamente elevato rispetto ai regolatori a commutazione. Per questo motivo, il contenitore TDFN di MAX15027 ha una piazzola termica esposta sul lato inferiore per garantire un percorso a bassa resistenza termica nella scheda a circuiti stampati. Questo percorso allontana la maggior parte del calore dal CI, permettendo alla scheda di essere un efficace dissipatore di calore. La piazzola esposta deve essere collegata a un grande piano di massa per ottenere le migliori prestazioni termiche ed elettriche.

Tuttavia, per quanto necessario, questo approccio da solo non è sufficiente. L'uso della modellazione termica è fondamentale per assicurare che anche i circuiti integrati vicini e gli altri componenti non utilizzino lo stesso strato di rame della scheda per le esigenze del proprio dissipatore di calore, rendendo il carico termico aggregato superiore a quello che la strategia di raffreddamento scelta può sostenere.

Questa strategia inizia solitamente allontanando la conduzione termica dal circuito integrato attraverso la piazzola e mandandola nello strato della scheda a circuiti stampati, cui fa seguito nella maggior parte dei casi la convezione in un dissipatore di calore o in una piastra fredda remoti. Questo "affollamento" della sorgente termica può annullare il piano di raffreddamento di base che inizia dalla piastra termica sul lato inferiore del circuito integrato.

Conclusione

L'uso di ADAS e di infotainment impone di dover affrontare le loro peculiari e spesso impegnative esigenze di alimentazione in corrente continua. Questa situazione sta spingendo lo sviluppo e la disponibilità di circuiti integrati e di altri componenti in grado di funzionare nonostante gli estremi di temperatura e intervallo di tensione di ingresso c.c. su rail, con un consumo di corrente di quiescenza molto basso. Questi circuiti integrati devono anche essere piccoli per ridurre la loro sensibilità alle vibrazioni e agli urti, il che, fortunatamente, favorisce anche progetti di circuito compatto con funzioni ADAS.

I fornitori di regolatori di potenza offrono ora un'ampia gamma di dispositivi LDO c.c./c.c. e di commutazione ottimizzati per ADAS che soddisfano i rigorosi standard industriali, facilitando la sfida del design-in e semplificando le decisioni sulla distinta base.