Los vehículos del mañana tendrán aún más tecnología

Por Rich Miron

Colaboración de Digi-Key Electronics

En el pasado, los sistemas electrónicos contribuían apenas el uno por ciento del valor total de los vehículos. Sin embargo, en la actualidad, la demanda de los consumidores de más tecnología y el aumento de las capacidades tecnológicas disponibles tuvieron como resultado el crecimiento abrupto del número de ECU (unidades de control electrónico) requeridas en un vehículo. Por ejemplo, en la actualidad, se pueden requerir hasta 100 ECU y hasta 100 millones de líneas de código en un automóvil de alta gama, mucho más que en vehículos anteriores y una prueba de la importancia de las ECU para la composición de un automóvil.

La electricidad alimenta cada vez más a la electrónica avanzada y reposta EV (vehículos eléctricos) y HEV (EV híbridos) al tiempo. Al mismo tiempo, reduce las emisiones de CO2 mientras que los sistemas electrónicos reemplazan los componentes manuales y motorizados. Todo esto garantiza que el futuro de la conducción se verá muy diferente de las formas de transporte actuales. Los HEV optimizados para la emisión y los EV autónomos de cero emisiones se comunicarán dentro de los sistemas del vehículo, con la infraestructura de la ciudad y la carretera y con otros vehículos. El documento oficial de TI (Texas Instruments), “Conducción de la revolución verde en el transporte”, brinda más detalles sobre los beneficios de los HEV y los EV.

La demanda de los HEV y los EV aumenta abruptamente debido a varios factores importantes:

  • Presión reguladora ambiental del motor de combustión interna
  • Avances tecnológicos para el tren motor eléctrico y la batería
  • Expectativas del consumidor para características de conveniencia e infoentretenimiento

Existe un factor limitante: los crecientes requisitos de carga de potencia de estas innovaciones sobrepasan los límites de capacidad de la batería de ácido de plomo de 12 V tradicional. La industria del automóvil encontró una solución para satisfacer esta mayor demanda de electrificación. Desarrollaron un sistema eléctrico secundario de 48 V que aporta más potencia que la producida por una batería tradicional de 12 V. Sin embargo, estos sistemas de alto voltaje requieren varios aislamientos de seguridad y control de aislamiento para mantener a los conductores y sus pasajeros a salvo de descargas eléctricas, además de evitar que falle la seguridad del sistema.

Para ayudar a superar estos desafíos de diseño y habilitar sistemas de transporte más seguros y eficientes, TI ofrece muchas soluciones y ayudas de diseño. La siguiente es una selección de algunas de estas piezas y estos diseños de referencia.

TIDA: Diseños de referencia de Texas Instruments

TIDA-03040: Diseño de referencia de detección de corriente de precisión de ±500 A basado en derivaciones automotrices: Este diseño de referencia del sensor de corriente basado en derivación de TI (Figura 1) ofrece una precisión FSR <0.2% en el rango de temperatura de funcionamiento de –40 °C a +125 °C. Una serie de aplicaciones automotrices requieren de la detección de corriente de precisión, incluidos sistemas de administración de baterías, corrientes de motor y otros. La falta de precisión en estas aplicaciones críticas generalmente puede resultar de la no linealidad, la deriva de temperatura y las tolerancias de derivación. Estos problemas se resuelven con este diseño al utilizar los monitores de derivación de corriente actuales de TI (INA240) y los acondicionadores de señal (PGA400-Q1).

Diagrama de bloques del diseño de referencia TIDA-03040 de Texas Instruments

Figura 1: Diagrama de bloques del diseño de referencia TIDA-03040 de Texas Instruments para un sensor de corriente de precisión de ±500 A basado en derivaciones automotrices. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

TIDA-03050: Diseño de referencia del sensor de derivación actual, automotor, de rango de mA a kA: En este diseño de referencia, se utiliza una resistencia de derivación de tipo barra para detectar corrientes en el rango de mA a KA. La demanda cada vez mayor de EV y HEV por parte de las baterías de alta capacidad obliga a mayores intervalos de corriente de funcionamiento y sensores de corriente de alta precisión para monitorear la demanda. Medir con precisión la corriente a lo largo de tres décadas (mA a A, 1 A a 100 A, y 100 A a 1000 A) es un gran desafío, ya que hay una gran cantidad de ruido en el sistema. Para resolver este problema, el diseño utiliza un ADC convertidor de analógico a digital (ADC) de alta resolución de TI y monitores de derivación de corriente de alta precisión.

TIDA-01604; diseño de referencia de PFC (de corrección del factor de potencia) de tótem de 6.6 kW, 98.6% de eficiencia, para cargador en placa de HEV/EV: Los MOFSET (transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) de SiC (carburo de silicio) controlados por el MCU C2000 con controlador de compuerta con aislamiento de SiC son la base de este diseño de referencia (Figura 2). El entrelazado trifásico se implementa en este diseño que opera en MCC (modo de conducción continua) con una eficiencia del 98.46% con una entrada de corriente de 240 V y una potencia máxima de 6.6 kW. El factor de potencia de carga liviana se mejora mediante el relevo de fases y el control de tiempo muerto adaptativo habilitado por el MCU C2000. La placa de control de la compuerta (consulte TIDA-01605 a continuación) puede entregar una corriente de entrada de 4 A y una corriente de pico de disipador de 6 A al tiempo que implementa un aislamiento reforzado y soporta más de 100 V/ns de inmunidad transitoria de modo común (CMTI). La placa de control de compuerta también contiene un circuito de apagado de dos niveles, que protege al MOSFET de la sobrecresta de voltaje si ocurre una situación de cortocircuito.

Imagen del diseño de referencia TIDA-01604 de Texas Instruments para un cargador en placa de HEV/EV

Figura 2: Diseño de referencia TIDA-01604 de Texas Instruments para un cargador en placa de HEV/EV. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

TIDA-01605; diseño de referencia de controlador de compuerta MOSFET de SiC de canal doble automotriz con protección de apagado de dos niveles: Este diseño de referencia de TI cuenta con una solución de controlador de compuerta aislada y calificada para automoción para controlar el MOSFET de SiC en una configuración de medio puente. En este diseño, se incluyen dos fuentes de polarización de empuje y extracción para el controlador de compuerta aislada de doble canal, con cada suministro capaz de proporcionar voltajes de salida de +15 V y –4 V y una potencia de salida de 1 W. Como se señaló antes, este controlador de compuerta puede entregar una corriente de entrada de 4 A y una corriente máxima de disipador de 6 A. Su aislamiento reforzado es capaz de soportar voltajes de aislamiento de 8 kV pico y 5.7 kV RMS y tiene un CMTI de > 100 V/ns. Como se mencionó antes, esta placa contiene un circuito de apagado de dos niveles, que protege al MOSFET de la sobrecresta de voltaje si ocurre una situación de cortocircuito. Este diseño cuenta con un umbral de detección DESAT configurable y un tiempo de retardo para el apagado de la segunda etapa. Para interconectar las señales de falla y reinicio, se utiliza un aislador digital ISO7721-Q1. En general, este diseño de referencia se ajusta a una placa de circuito impreso (PCB) de dos capas con un factor de forma compacto de 40 mm × 40 mm.

TIDA-01168; diseño de referencia de convertidor CC-CC bidireccional para sistemas automotrices de 12 V/48 V: Este diseño de referencia funciona como una plataforma de desarrollo de convertidor CC-CC bidireccional de cuatro fases para sistemas automotrices de 12 V/48 V. El sistema utiliza un MCU TMS320F28027F y dos controladores de corriente LM5170-Q1 para el control de la etapa de potencia. El MCU C2000 proporciona retroalimentación de voltaje, mientras que los subsistemas LM5170-Q1 usan retroalimentación de corriente promedio para el control de corriente. El uso de este esquema de control elimina el equilibrio de corriente de fase típico de los convertidores multifásicos. Los sistemas basados en LM5170-Q1 permiten un alto nivel de integración, lo que reduce el área de PCB, simplifica el diseño y acelera el desarrollo.

Productos

ISO7731-Q1: La familia de dispositivos ISO773x-Q1 son aisladores digitales de alto rendimiento de canal triple con calificaciones de aislamiento de 5,000 VRMS (paquete de DW) y 3000 VRMS (paquete DBQ) según normas UL 1577. Esta familia ha reforzado las calificaciones de aislamiento según CQC, CSA, TUV y VDE. Estos dispositivos proporcionan inmunidad electromagnética alta con emisiones bajas con un bajo consumo de potencia, mientras aísla las E/S digitales de CMOS o LVCMOS. Los búferes de salida y entrada lógica están separados por la barrera de aislamiento de dióxido de silicio (SiO2) en cada canal de aislamiento. Los pines de activación de dispositivos se pueden utilizar a fin de colocar las respectivas salidas en alta impedancia para aplicaciones de conducción múltiple de maestro y para reducir el consumo de potencia. El dispositivo ISO7730-Q1 tiene los tres canales en la misma dirección, mientras que el dispositivo ISO7731-Q1 tiene dos canales de avance y un canal de dirección inversa. Al perder la potencia de entrada o la señal, la salida predeterminada es baja para dispositivos con el sufijo “F” y alta para dispositivos sin el sufijo “F”.

UCC21520-Q1: Este dispositivo es un controlador de puerta de canal dual aislado (Figura 3). Cuenta con una corriente de entrada de 4 A y una corriente pico de disipador de 6 A. Está diseñada para impulsar los MOSFET de potencia, MOSFET SiC e IGBT con hasta 5 MHz con retardo de propagación baja y distorsión de ancho de pulso. El lado de entrada y los dos controladores de salida están aislados por una barrera de aislamiento reforzada de 5.7 kVRMS, con un mínimo de CMTI de 100 V/ns. El aislamiento funcional interno entre los dos controladores de lado secundario permite un voltaje de funcionamiento de hasta 1500 VCC. El diseño de este dispositivo permite que cada controlador se configure como dos conductores de lado bajo, dos motores de lado alto o un controlador de medio puente con tiempo muerto programable (DT). Ambas salidas se apagan simultáneamente mediante un pin de desactivación, lo que permite el funcionamiento normal cuando se deja abierto o conectado a tierra. Las fallas lógicas del lado primario fuerzan ambas salidas tan bajo como una medida a prueba de fallos.

Diagrama funcional de bloques del controlador de compuerta de canal doble aislado UCC21520-Q1 de Texas Instruments

Figura 3: Diagrama funcional de bloques del controlador de compuerta de canal doble aislado UCC21520-Q1 de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

UCC21222-Q1: Este controlador de compuerta de canal doble aislado con tiempo muerto programable y amplio rango de temperatura exhibe un rendimiento y una robustez constantes en condiciones de temperatura extremas. La corriente de fuente de pico de 4 A y corriente de pico de disipador de 6 A se diseñaron para impulsar transistores de potencia MOSFET, IGBT y GaN. El UCC21222-Q1 tiene múltiples configuraciones: dos controladores de lado bajo, dos controladores de lado alto o un controlador de medio puente. El rendimiento de coincidencia de retardo de 5 ns permite el paralelismo de dos salidas, lo que duplica la resistencia del conductor para condiciones de alta carga sin el riesgo de sobrecarga interna. Los dos controladores de salida están aislados del lado de entrada por una barrera de aislamiento de 3.0 kVRMS con un mínimo de CMTI de 100 V/ns.

LM5170-Q1: El controlador LM5170-Q1 habilita los elementos esenciales de alto voltaje y precisión de un convertidor bidireccional de canal doble para sistemas de baterías dobles de 48 V y 12 V para automóviles. Hace esto regulando la corriente media que fluye entre los puertos de alta y baja tensión en la dirección designada por la señal de entrada DIR. El nivel de regulación actual se programa ya sea mediante entradas de modulación por ancho de pulsos analógicas o digitales. La precisión de corriente típica del uno por ciento se logra mediante amplificadores de detección de corriente diferencial de canal doble y monitores de corriente de canal dedicados. Los controladores de compuertas de medio puente de 5 A son capaces de conducir interruptores MOSFET en paralelo, que pueden entregar 500 W o más por canal. Además, el modo de emulación de diodo de los rectificadores síncronos no solo previene las corrientes negativas, sino que también permite el funcionamiento en modo discontinuo para mejorar la eficiencia con cargas ligeras. Muchas características de protección están incorporadas en el dispositivo, incluida la detección de fallas MOSFET, la protección contra sobretensiones en los puertos de alto y bajo voltaje, limitación de corriente ciclo por ciclo y protección de sobrecalentamiento.

INA301-Q1: Este dispositivo incluye un amplificador de detección de corriente de modo común alto y un comparador de alta velocidad configurado para proporcionar protección contra sobrecorriente. Lo hace midiendo el voltaje a través de una resistencia para detección de corriente o derivación de corriente y compararlo con el límite de umbral definido. El INA301-Q1 cuenta con una gama de umbral ajustable que se puede establecer mediante un único resistor externo de limitación de configuración. Este monitor de derivación de corriente mide las señales de voltaje diferencial en voltaje de modo común que puede variar desde 0 V hasta 36 V, independiente del voltaje de alimentación. La salida de alerta de drenaje abierto en el dispositivo tiene la opción de configurarse para funcionar en un modo o bien transparente donde el estado de la salida sigue al estado de entrada o bien en un modo seguro donde la salida de alerta se borra cuando se borra el pestillo. La detección rápida de eventos de sobrecorriente se habilita mediante un tiempo de respuesta de alerta del dispositivo de menos de 1 µs.

INA240-Q1: El INA240-Q1 calificado para automoción es un amplificador de detección de corriente y salida de voltaje con un mejor rechazo de modulación por ancho de pulsos. Puede detectar caídas a través de resistencias de derivación en un amplio rango de voltaje de modo común de –4 V a 80 V, independientemente del voltaje de alimentación. El beneficio del voltaje de modo común negativo es que permite al dispositivo funcionar debajo de la tierra, para adaptarse al período de flyback de aplicaciones de solenoide típicas. El rechazo mejorado de modulación por ancho de pulsos del dispositivo proporciona altos niveles de supresión de transitorios de modo común grandes (ΔV/Δt) en sistemas que usan señales de modulación por ancho de pulsos, lo que incluye impulsores de motor y sistemas de control de solenoide. Esta característica garantiza mediciones precisas de corriente sin grandes transientes y oscilaciones de recuperación asociadas en la tensión de salida. El INA240-Q1 funciona desde una única fuente de alimentación de 2.7 V a 5.5 V y consume un máximo de 2.4 mA. En la actualidad, hay cuatro ganancias fijas disponibles: 20 V/V, 50 V/V, 100 V/V y 200 V/ V. La arquitectura de deriva cero y compensación baja del dispositivo permite la detección de corriente con caídas máximas en toda la derivación a tan solo 10 mV en escala completa. Las versiones de Grado 1 se ofrecen en los paquetes TSSOP y SOIC de 8 clavijas y funcionan en el rango de temperatura extendido de –40 °C a +125 °C. Las versiones de grado 0 solo se ofrecen en un paquete SOIC de 8 clavijas y operan en un rango de temperatura extendido de –40 °C a +150 °C.

AMC1305M05-Q1: Este es un modulador de precisión delta-sigma (ΔΣ) con una barrera de doble aislamiento capacitiva que es altamente resistente a la interferencia magnética que separa el circuito de la salida del circuito de entrada (Figura 4). La barrera de aislamiento está certificada para proporcionar aislamiento reforzado de hasta 7,000 VPEAK según los estándares DIN V VDE 0884-10 V, UL1577 y CSA. Junto con fuentes de alimentación aisladas, el AMC1305M05-Q1 evita que las corrientes de ruido que podrían estar presentes en una línea de voltaje alto en modo común ingresen en el terreno local e interfieran con los circuitos sensibles o los dañen. Este dispositivo, optimizado para que la conexión directa a las resistencias de desviación u otras fuentes de señal de nivel de bajo voltaje, sostiene el excelente rendimiento de CA y CC. Normalmente, las resistencias de derivación detectan corrientes en cargadores en placa, inversores de tracción u otras aplicaciones automotrices similares. Con el uso de un filtro digital apropiado para diezmar el flujo de bits, como los integrado en el TMS320F2837x, el dispositivo puede alcanzar 16 bits de resolución con un rango dinámico de 85 dB (a 13.8 ENOB) a una velocidad de datos de 78 kSPS.

Esquema simplificado del modulador delta-sigma (ΔΣ) de precisión AMC1305M05-Q1 de Texas Instruments

Figura 4: Esquema simplificado del modulador delta-sigma (ΔΣ) de precisión AMC1305M05-Q1 de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

TMS320F28069M: La familia de MCU Piccolo F2806x calificada para automoción incluye la potencia del núcleo C28x junto con periféricos de control altamente integrados en dispositivos de bajo conteo de pines. Estos dispositivos son compatibles con código basado en el C28x anterior y también proporcionan un alto nivel de integración analógica. Otras características incluyen un regulador de voltaje interno que permite la operación de un solo riel y mejoras al módulo HRPWM que permite el control de doble borde (modulación de frecuencia). Además, se han agregado comparadores analógicos con referencias internas de 10 bits que se pueden enrutar directamente para controlar las salidas de ePWM. El ADC, que tiene una interfaz optimizada para baja sobrecarga y latencia, convierte de 0 V a 3.3 V rango fijo de escala completa y admite referencias VREFHI/VREFLO de relación métrica.

ISO1042-Q1: Este es un dispositivo transceptor de red de área de controlador (CAN) aislado galvánicamente que cumple con las especificaciones de la norma ISO11898-2 (2016). El ISO1042-Q1 ofrece una protección contra fallas del bus de ± 70 VCC y un rango de voltaje de modo común de ±30 V. Admite una velocidad de datos de hasta 5 Mbps en el modo CAN FD, que permite una transferencia de carga útil mucho más rápida en comparación con el CAN clásico. Hay una barrera de aislamiento de SiO2 en este dispositivo que tiene un voltaje de resistencia de 5,000 VRMS y un voltaje de trabajo de 1,060 VRMS. La compatibilidad electromagnética de la ISO1042-Q1 se ha mejorado significativamente para permitir el cumplimiento de la descarga electrostática, EFT, sobretensión y emisiones a nivel del sistema. Cuando se combina con fuentes de alimentación aisladas, este dispositivo puede ayudar a proteger contra corrientes de alto voltaje y ruido del bus que ingresa a la tierra local. El ISO1042-Q1 está disponible para aplicaciones de aislamiento básico y reforzado y admite un amplio rango de temperatura ambiente de –40 °C a +125 °C. Está disponible en dos tamaños de paquete, el paquete SOIC-16 (DW) y un paquete SOIC-8 (DWV) más pequeño.

Conclusión

El futuro de la industria automotriz es brillante. Sin embargo, los diseños serán más complicados a medida que se agreguen a los vehículos más características, impulsadas por las regulaciones ambientales y la demanda de los consumidores. Para ayudar a respaldar estas características, Texas Instruments tiene una amplia variedad de diseños y productos de referencia disponibles ahora que pueden ayudar a reducir el tiempo de diseño y hacer que estos futuros diseños automotrices lleguen más pronto al consumidor.

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Acerca de este autor

Rich Miron

Rich Miron, desarrollador sénior de contenido técnico de Digi-Key Electronics, ha trabajado en el grupo de Contenido técnico desde 2007 y su principal tarea ha girado en torno de la escritura y edición de artículos, blogs y módulos de capacitación sobre productos. Antes de trabajar en Digi-Key, probó y calificó sistemas de control e instrumentación para submarinos nucleares. Rich es ingeniero eléctrico y electrónico de la Universidad Estatal de Dakota del Norte, Fargo, ND.

Acerca de este editor

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Digi-Key Corporation, con sede en Thief River Falls, Minnesota, es un proveedor global de servicios completos de prototipo y diseño, así como de volúmenes de producción de componentes electrónicos que ofrece más de tres millones de productos de más de 750 fabricantes de marcas de calidad en Digi-Key.