De veiligheid van auto's garanderen met zeer betrouwbare spoelen

Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) en automatische rijsystemen (ADS) zijn veiligheidskritische autonome rijsystemen voor auto's die bestaan uit een of meer geavanceerde processors die kritieke beslissingen nemen op basis van de input van meerdere sensoren. Deze processors werken meestal op verschillende lage spanningsniveaus, maar kunnen een stroom van tweecijferige ampères (A) trekken.

Geïntegreerde stroombeheercircuits (PMIC's) worden gebruikt om meerdere spanningen aan de processors te leveren, maar ze vereisen zeer betrouwbare spoelen om een stabiele stroomvoorziening te garanderen. Deze spoelen moeten grote stromen kunnen verwerken met lage vermogensverliezen bij vermogensschakelfrequenties tot 10 megahertz (MHz). De spoelen moeten ook volumetrisch efficiënt zijn met een klein printoppervlak en een laag profiel. Net als alle componenten in autonome besturingssystemen moeten ze voldoen aan de strenge betrouwbaarheids- en veiligheidsnormen die de auto-industrie vereist, zoals AEC-Q200.

Dit artikel beschrijft kort de verwerkingsvereisten van ADAS/ADS. Vervolgens worden spoelen van TDK geïntroduceerd die speciaal voor deze toepassing zijn ontworpen en wordt getoond hoe hun unieke eigenschappen kunnen bijdragen aan een robuust en veilig auto-ontwerp.

Autonome rijsystemen

Een typische ADAS/ADS maakt gebruik van een gespecialiseerde processor gekoppeld aan meerdere sensors om de snelle beslissingen te nemen die nodig zijn voor autonoom rijden (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De processor in een ADAS/ADS heeft betrouwbare laagspanningsvoeding nodig bij hoge stroomniveaus, die wordt geleverd door een PMIC om het voertuig te besturen op basis van sensorinputs. (Bron afbeelding: EPCOS-TDK)

De voedingsspanning voor deze processors is over het algemeen laag, ongeveer 1 volt, maar de stroomniveaus kunnen in de tientallen ampères lopen, waardoor de PMIC onder druk komt te staan. De secundaire convertor in afbeelding 1 gebruikt acht voedingsspoelen met de PMIC om de processor van stroom te voorzien.

Vermogensspoelen zijn passieve apparaten die energie opslaan in hun elektromagnetische velden en worden veel gebruikt in voedingscircuits en DC/DC-convertors. In combinatie met de PMIC als step-down of buckconvertors zijn de vermogensspoelen belangrijke componenten die de prestaties van het vermogensomzettingsproces beïnvloeden (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een vereenvoudigd schema van een enkele buckconvertor benadrukt de rol van de vermogensspoel. (Bron afbeelding: EPCOS-TDK)

Een buckconvertor produceert een lagere uitgangsspanning dan de ingangsspanning. In een buckconvertor wordt een schakelaar in serie geplaatst met de ingangsspanningsbron (V_IN). De ingangsbron voedt de uitgang via de schakelaar en een laagdoorlaatfilter. Het filter is geïmplementeerd met een vermogensspoel en een uitgangscondensator. Als de schakelaar gedurende een periode van T_ON is ingeschakeld, drijft de ingang de uitgang en de vermogensspoel aan. Tijdens deze T_ON-periode wordt het verschil in spanningsniveau tussen V_IN en de uitgangsspanning (V_OUT) in voorwaartse richting op de spoel gezet, zoals aangegeven door de 'inschakelen'-pijl. De stroom van de spoel (I_L) stijgt lineair tot I_peak.

Wanneer de schakelaar is uitgeschakeld (T_OFF), blijft de stroom van de spoel in dezelfde richting stromen vanwege de opgeslagen energie van de inductor die stroom blijft leveren aan de belasting via de commutatiediode, zoals wordt geïllustreerd door de 'uitschakelen'-pijl. Tijdens deze T_OFF-periode wordt de uitgangsspanning V_OUT in omgekeerde richting over de spoel aangelegd en neemt de stroom van de spoel af van de I_peak-waarde. Dit resulteert in een driehoekige rimpelstroom. De grootte van de rimpelstroom is gerelateerd aan de inductantie van de vermogensspoel. De waarde van de inductantie wordt meestal zo ingesteld dat deze resulteert in een rimpelstroom van 20-30% van de nominale uitgangsstroom. De uitgangsspanning zal evenredig zijn met de dutycycle van de schakelaar.

Als de belasting plotseling wordt verhoogd, zal de uitgangsspanning dalen, wat resulteert in een abnormaal grote piekstroom door de vermogensspoel in korte tijd om de uitgangscondensator op te laden. De waarde van de vermogensspoel beïnvloedt de transiënte respons van de convertor: kleine spoelwaarden versnellen de hersteltijd en grotere waarden verlengen de hersteltijd.

In de voertuigomgeving moeten deze spoelen voldoen aan zeer hoge elektrische en mechanische normen. De belangrijkste daarvan is een hoge betrouwbaarheid. De betrouwbaarheid en kwaliteit van passieve componenten die bedoeld zijn voor gebruik in voertuigen worden gekwalificeerd volgens normen die zijn opgesteld door de Automotive Electronics Council (AEC). Passieve componenten worden gekwalificeerd onder AEC-Q200, de wereldwijde norm voor stressbestendigheid waaraan alle passieve elektronische componenten moeten voldoen als ze bedoeld zijn voor gebruik in de auto-industrie. De tests omvatten bestendigheid tegen schokken, trillingen, vochtigheid, oplosmiddelen, soldeerhitte, flexibele printplaat en elektrostatische ontlading (ESD). De tests omvatten ook temperatuurtests van -40 °C tot +125 °C, met blootstelling aan extreme temperaturen en thermische cycli.

Voor toepassingen in de auto-industrie moeten spoelen compacte afmetingen hebben en binnen het verwachte temperatuurbereik voor auto's kunnen werken. Deze laatste eigenschap vereist een lage serieweerstand om vermogensverlies en temperatuurstijging te minimaliseren. De spoelen moeten ook kunnen werken bij vermogensschakelfrequenties in het bereik van 2 tot 10 MHz die typisch gebruikt worden door PMIC's en moeten ook hoge transiënte belastingen aankunnen met de mogelijkheid van hoge verzadigingsstromen.

Vermogensspoelen ontworpen voor de automobielindustrie

De CLT32-serie vermogensspoelen van EPCOS-TDK zijn ontworpen voor ADAS/ADS-toepassingen en hebben een hoge betrouwbaarheid, hoge stroomwaarden, lage serieweerstand, hoge verzadigingsstromen en kleine afmetingen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De TDK CLT32-serie vermogensspoelen hebben een spoel/terminalstructuur uit één stuk die een dikke koperen wikkeling zonder interne verbindingen gebruikt. Het magnetische vormmateriaal zorgt voor een zachte verzadigingskarakteristiek. (Bron afbeelding: EPCOS-TDK)

De CLT32-vermogensspoelen zijn gevormd rond een dikke koperen spoel uit één stuk met een geïntegreerde aansluitstructuur. Dit betekent dat er geen interne verbindingen zijn die een onbetrouwbare werking kunnen veroorzaken. De dikke koperen spoel houdt ook de serieweerstand op slechts 0,39 milliohms (mΩ) om vermogensverliezen te minimaliseren. De lagere weerstand resulteert ook in minder warmteontwikkeling onder belasting.

De spoel is omspoten met een nieuw ontwikkelde ferromagnetische kunststofcompound die zowel de kern als de buitenbehuizing van de spoel vormt. Het kernmateriaal heeft uitstekende elektrische eigenschappen, zelfs bij hoge temperaturen en in hoogfrequente toepassingen. Bijzonder opmerkelijk zijn de lage kernverliezen. Doordat het materiaal verwerkt kan worden bij lage druk en lage temperatuur, wordt de druk op de spoel tijdens de productie geminimaliseerd.

Het kernmateriaal biedt een zachte verzadigingskarakteristiek in vergelijking met alternatieve ferrietmaterialen. De verandering in inductantie als gevolg van magnetische verzadiging wordt uitgedrukt als verzadigingsdrift, gemeten als de procentuele verandering in inductantie (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: In reactie op magnetische verzadiging vertoont de CLT32-kern een lage verzadigingsdrift, waardoor hij zacht reageert. (Afbeeldingsbron: EPCOS-TDK)

Het CLT32-kernmateriaal biedt een merkbaar lagere verandering in inductiewaarde door verzadiging, vooral bij hogere temperaturen. Ze bieden maximale verzadigingsstromen tot 60 A.

De hele spoel past in een laagprofiel verpakking van 3,2 bij 2,5 bij 2,5 millimeter (mm). Deze hoge volumetrische efficiëntie betekent dat meerdere spoelen kunnen worden gebruikt zonder dat het ontwerp moet worden verplaatst naar een grotere printplaat. De spoelen zijn geschikt voor een temperatuurbereik van -40 °C tot +165 °C. Dit temperatuurbereik overschrijdt de vereisten van de maximale AEC-Q200-testtemperatuur van 125 °C, zoals hierboven vermeld.

De TDK CLT32-vermogensspoelen zijn verkrijgbaar in inductiewaarden van 17 tot 440 nanohenries (nH), zoals weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1: Weergegeven zijn de gespecificeerde eigenschappen van de TDK CLT32-vermogensspoelen en de bijbehorende bestelcode. Ze passen allemaal in dezelfde 3,2 bij 2,5 bij 2,5 bij 2,5 mm laagprofiel verpakking. (Bron tabel: EPCOS-TDK)

In de tabel is R_DC de serieweerstand van de spoel. Merk op dat het schaalt met de inductiewaarde vanwege het grotere aantal windingen dat nodig is voor een hogere inductie. I_SAT is de verzadigingsstroom gebaseerd op de vermindering van de inductiewaarde door verzadiging, die omgekeerd schaalt met de inductantie. I_temp is de maximale nominale stroom, gebaseerd op de temperatuurstijging in de behuizing. _Itemp schaalt ook omgekeerd evenredig met de inductiewaarde.

De verliezen in een vermogensspoel omvatten gelijkstroomverliezen die evenredig zijn met de serieweerstand van de spoel. Er zijn ook wisselstroomverliezen door het skineffect, hysteresisverlies en wervelstroomverlies. De wervelstroomwisselstroomverliezen zijn gerelateerd aan het kernmateriaal.

Vergeleken met alternatieve technologieën, zoals dunne-filmspoelen of metaalcomposietspoelen, vertonen de CLT32-spoelen een lager vermogensverlies van de rimpelspanning (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De CLT32-vermogensspoelen hebben een lager rimpelloos vermogensverlies dan dunne-film- of metaalcomposietspoelen. (Bron afbeelding: EPCOS-TDK)

Lage AC-rimpelverliezen betekenen dat hogere rimpelstromen getolereerd kunnen worden, waardoor lagere capaciteitswaarden in DC/DC-convertors mogelijk zijn.

Lagere verliezen leiden ook tot een hoger rendement in vergelijking met andere spoeltypes (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Prestatievergelijking van vermogensspoelen in een single-output buckconvertor toont de hogere efficiëntie van de CLT32-vermogensspoelen. (Bron afbeelding: EPCOS-TDK)

Bij lichte belastingen domineren kernverliezen de efficiëntie van de vermogensspoel. Een hogere belasting verlaagt de efficiëntie door weerstandsverliezen. In alle gevallen zijn de CLT32-vermogensspoelen beter dan de alternatieve technologieën.

Conclusie

De innovatieve ontwerpconcepten in de TDK CLT32-serie vermogensspoelen bieden kleinere afmetingen en betere elektrische prestaties dan concurrerende technologieën, terwijl ze een hogere betrouwbaarheid garanderen. Hun brede temperatuurbereik en brede frequentiebereik maken ze ideale componenten voor gebruik in ADAS/ADS-ontwerpen van de volgende generatie.