Usar IC de aplicación específica para simplificar el diseño de la electrónica de las puertas de los automóviles

Para el 2030, la electrónica representará el 50 por ciento del costo de un vehículo y la puerta del automóvil se convertirá en un área de crecimiento para el contenido electrónico. Diseñar la electrónica de las puertas es un desafío; cada puerta requiere un controlador, una red de área de control (CAN) o transceptores de red de interconexión local (LIN) para conectar con el resto de los sistemas del vehículo, múltiples conductores de motor y reguladores de voltaje. Estos dispositivos y redes pueden resultar complejos, costosos, pesados y largos de diseñar, por lo que los diseñadores buscan formas de simplificar las aplicaciones y racionalizar la lista de materiales (BOM).

Los productos estándar específicos para aplicaciones (ASSP) diseñados para aplicaciones de automoción facilitan la tarea del diseñador. Además, estas soluciones permiten al diseñador aprovechar un enfoque centralizado o descentralizado de la electrónica de la puerta, según la complejidad del diseño y las limitaciones de costo.

En este artículo se describe la evolución de los sistemas electrónicos de puertas en red y se explican las ventajas e inconvenientes respectivos de los enfoques centralizado y descentralizado. A continuación, el artículo explora cómo utilizar los ASSP para facilitar el diseño de una unidad de control de un solo cuerpo (BCU) para un diseño centralizado, o BCU individuales para cada puerta en el enfoque descentralizado. El artículo también considerará cómo estos enfoques se integran en la red de vehículos (IVN) a través de soluciones CAN y LIN. Las soluciones de ON Semiconductor se usarán a modo de ejemplo.

La evolución de la electrónica automotriz y las funciones de red

La electrónica automotriz comenzó con la necesidad de unidades de control de motor (ECU) para manejar la inyección de combustible, ya que estas comenzaron a reemplazar a los carburadores en la década de 1970. Desde entonces, la electrónica ha proliferado. Ahora un vehículo de primera clase cuenta con sistemas electrónicos completos para cuatro áreas clave:

• La cadena cinemática (control del motor, control de la transmisión, arrancador/alternador)
• Cuerpo y confort (iluminación, HVAC, asiento y puerta, entrada remota sin llave)
• Seguridad (ABS, dirección asistida, airbag, asistencia al conductor)
• Infoentretenimiento (navegación, audio, multimedia, conectividad celular, Bluetooth, telemática, tablero de mandos)

Cada uno de estos sistemas utiliza módulos de computación dedicados con los módulos individuales conectados a través de un IVN basado en tecnología CAN y/o LIN.

CAN es un estándar de bus de vehículos diseñado para permitir que los módulos de computación y los sensores/actuadores se comuniquen sin necesidad de una computadora central. Prioriza las conexiones, de modo que si más de un dispositivo transmite simultáneamente, el más importante tiene prioridad para evitar problemas de contención y asegurar que las funciones críticas no se retrasen. El CAN es demasiado costoso de usar para la conexión de cada componente electrónico de un vehículo, por lo que a menudo se complementa con el LIN que utiliza una tecnología de conexión en serie menos compleja y de menor costo para las funciones no críticas para el tiempo, generalmente relacionadas con la comodidad de los pasajeros para agregar todos los dispositivos al IVN.

Este artículo se centra en los sistemas electrónicos asociados a la puerta de un vehículo. Como en otras áreas del vehículo, esto ha visto un aumento en el uso de la electrónica para la comodidad del conductor.

La mayoría de los automóviles contemporáneos tienen ventanas, cerraduras y espejos controlados electrónicamente y, más recientemente, se están introduciendo características como la protección contra pinchaduras. Los vehículos de lujo tienen descongelación de los retrovisores, indicadores montados en los retrovisores e iluminación interior de las puertas. La próxima generación de modelos de alta gama incluirá un control de espejo electrocrómico que oscurece el espejo retrovisor dependiendo del brillo de las luces del resto del tráfico.

Control descentralizado vs. centralizado de la electrónica del automóvil

Una topología centralizada para la electrónica de las puertas es actualmente el enfoque más común, en particular para los vehículos de bajo costo con una funcionalidad de puerta limitada. El BCU, un módulo que comprende los sistemas INV, un microprocesador, controladores de actuadores y componentes discretos, se conecta a los actuadores de cada puerta mediante un cableado que transporta la energía, y un cableado separado para la comunicación CAN o LIN. Las principales ventajas de este enfoque son el costo (solo se necesita un BCU) y la escalabilidad (Figura 1).

Figura 1: Un sistema electrónico de puerta centralizado ahorra costos al usar un solo BCU. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Sin embargo, la topología centralizada está cayendo en desgracia para los vehículos de primera categoría porque requieren un nivel de funcionalidad mucho mayor, lo que a su vez requiere más cableado. Como resultado, los arneses de cableado se vuelven pesados, complejos y costosos.

La alternativa es el enfoque descentralizado, en el que cada puerta tiene su propio BCU. En esta implementación, la mayor parte del cableado se localiza con una sola fuente de alimentación necesaria para el BCU (que luego distribuye la energía localmente a los accionadores de las puertas) y una conexión CAN y/o LIN que se extiende al resto del vehículo. Las ventajas clave son una reducción drástica del peso, la complejidad y el costo del arnés de cables, y la flexibilidad en el diseño del BCU para adaptarse a la puerta específica para la que está diseñado. Por ejemplo, los BCU de las puertas delanteras requieren una funcionalidad adicional para el servicio de los espejos de las puertas (Figura 2).

Figura 2: Un sistema descentralizado reduce el peso y la complejidad del cableado. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Aunque la topología descentralizada está ganando popularidad, no hay indicios de que el enfoque centralizado esté desapareciendo. La elección de cualquiera de los dos métodos de diseño viene determinada en gran medida por el equilibrio entre el costo y la complejidad del cableado.

Los proveedores suministran soluciones que simplifican el diseño de soluciones descentralizadas o centralizadas. Por ejemplo, ON Semiconductor suministra una amplia gama de ASIC, ASSP y componentes discretos para la electrónica de las puertas; los diseñadores son entonces libres de seleccionar su microcontrolador favorito (Figura 3).

Figura 3: ON Semiconductor proporciona una gama de ASIC, ASSP y soluciones discretas para BCU descentralizadas y centralizadas, dejando al diseñador libre de elegir su microcontrolador favorito. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Redes en vehículos

Ya sea que los diseñadores elijan un diseño descentralizado o centralizado para el control de la electrónica de la puerta, tendrán que asegurarse de que la BCU esté integrada en la IVN. La conectividad CAN se facilita mediante un controlador CAN emparejado con un transceptor CAN que forma la interfaz entre el controlador y el bus físico. Entre los ejemplos de transceptores CAN adecuados para aplicaciones de automoción se encuentran los dispositivos CAN de ON Semiconductor NCV7341D21R2G, un dispositivo CAN de alta velocidad de 1 megabit por segundo (Mbit/s). El chip tiene un receptor diferencial con un alto rango de modo común para una buena inmunidad electromagnética (EMI) en entornos automovilísticos difíciles. Además, los pines del bus del chip están protegidos contra los transitorios de voltaje que pueden plagar los sistemas eléctricos de los automóviles (Figura 4).

Figura 4: Esquema típico de aplicación para el transceptor CAN NCV7341D21R2G con controlador CAN de 5 voltios. El transceptor es una buena opción para conectarse a la IVN para sistemas de puertas de vehículos descentralizados o centralizados. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Un sistema descentralizado requerirá no sólo la conectividad CAN a la IVN sino también la conectividad LIN entre las BCU delanteras y traseras, como se muestra en la figura 2. La BCU de la puerta delantera está conectada al CAN, pero para ahorrar costos y cableado, la BCU trasera está encadenada a la BCU delantera por LIN. LIN tiene un solo cable en cada nodo, simplificando el cableado y reduciendo el costo. Si bien el rendimiento se limita a un máximo de 20 kilobits por segundo (kbits/s), esto es adecuado para el control de dispositivos tales como cerraduras de puertas, ventanas y espejos retrovisores.

El transceptor LINNCV7321D12R2G de ON Semiconductor es una buena elección para la conectividad LIN de la electrónica montada en la puerta. El chip incorpora el transmisor LIN, el receptor LIN, los circuitos de encendido y reinicio (POR), el apagado térmico y cuatro modos de funcionamiento (sin energía, en espera, normal y en reposo). Los modos están determinados por la tensión de alimentación (V_BB, 5 a 27 voltios), las señales de entrada habilitadas (EN) y WAKE (activar), y la actividad en el bus LIN. El transceptor está optimizado para un rendimiento máximo y presenta buenas características de EMI debido a la baja velocidad de giro de la salida del LIN.

La topología LIN utiliza un único nodo maestro que controla una serie de hasta 16 nodos esclavos. En un sistema descentralizado, las BCU delanteras y traseras incorporan un nodo maestro, mientras que las unidades periféricas como los paneles de control de las ventanas incorporan nodos esclavos, según la figura 2. El nodo maestro empareja el transceptor LIN con un microcontrolador adecuado (Figura 5).

Figura 5: Esquema típico de aplicación para el transceptor LIN NCV7321D12R2G en la configuración del nodo maestro. Cada nodo maestro puede controlar hasta 16 nodos esclavos. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Los controladores del actuador de la puerta

Otros componentes clave de las BCU para topologías descentralizadas o centralizadas son los controladores de actuadores necesarios para accionar las cerraduras de las puertas, los espejos, las ventanas y otros sistemas. ON Semiconductor ofrece el NCV7703CD2R2G, un controlador triple de medio puente diseñado específicamente para el control de movimiento automotriz e industrial para estas aplicaciones. Los tres controladores de medio puente pueden ser controlados independientemente a través de una Interfaz Periférica Serial (SPI) estándar y suministran una salida típica de 500 miliamperios (mA) con un máximo de 1.1 amperios (A). El chip puede ser alimentado con un voltaje de suministro de 3.15 a 5.25 voltios, y un voltaje de carga de 5.5 a 40 voltios.

Una restricción clave del diseño es la temperatura máxima del dado. No se debe superar una temperatura del dado de 150 °C, aunque ponga un límite a cuántos de los tres controladores del dispositivo se pueden utilizar al mismo tiempo.

El control del accionamiento de salida (y el informe de fallos) se maneja a través del puerto SPI. Una función EN proporciona un modo de corriente de reposo bajo cuando el dispositivo no está en uso, y se proporciona una resistencia reductora en las entradas EN, SI y SCLK para asegurar que se encuentren en un estado bajo en caso de que se interrumpa la señal de entrada.

En la figura 6 se muestra cómo se utiliza el controlador triple de medio puente NCV7703CD2R2G en un sistema de posicionamiento de espejo de puerta. En esta disposición, la salida de los tres controladores de medio puente alimenta los dos motores eléctricos utilizados para mover el espejo en las direcciones X e Y.

Figura 6: Un diagrama de bloques del controlador triple de medio puente NCV7703CD2R2G de ON Semiconductor en una aplicación de ajuste de la posición del espejo muestra cómo la salida de los tres controladores de medio puente alimenta los dos motores eléctricos utilizados para mover el espejo en las direcciones X e Y. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Un solo microprocesador puede ser usado para controlar múltiples controladores triples de medio puente NCV7703CD2R2G, reduciendo el BOM de la electrónica de la puerta. La forma más eficiente de hacerlo es operar los controladores en paralelo con cada dispositivo controlado de forma multiplexada.

En una configuración en serie, la información de programación del último dispositivo de la cadena de serie debe pasar primero por todos los dispositivos anteriores. Una topología de control paralelo elimina ese requisito, pero a costa de reducir la selección del procesador a un dispositivo con pines de selección de chip (CSB) para cada controlador. Los datos de la serie solo son reconocidos por el dispositivo que se activa a través de su pin CSB receptivo (Figura 7).

Figura 7: El costo de la lista de materiales para la electrónica de la puerta se puede reducir usando un solo microprocesador para controlar múltiples controladores triples de medio puente. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El controlador triple de medio puente NCV7703CD2R2G requiere una regulación de 5 voltios en su entrada de alimentación para su funcionamiento interno. Una buena opción para este requisito es el regulador de voltaje lineal NCV8518BPWR2G de ON Semiconductor. El chip tiene una salida fija de 5 voltios y regula dentro de ±2%. Es adecuado para su uso en todos los entornos automovilísticos y tiene un bajo voltaje de salida de 425 milivoltios (mV) típico y una baja corriente de reposo de 100 microamperios (µA). Las características de seguridad incluyen apagado térmico, protección contra cortocircuitos y la capacidad de manejar transitorios de hasta 45 voltios. El regulador de voltaje lineal también puede usarse para alimentar el microprocesador de la BCU (Figura 8).

Figura 8: El regulador de voltaje lineal NCV8518BPWR2G es una buena elección para suministrar una salida de 5 voltios para el controlador del actuador y el microprocesador en una BCU. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Un regulador de voltaje lineal alternativo para las piezas de dispositivos electrónicos de la puerta que requieren una opción de menor costo es el NCV8184DR2G. El chip proporciona un voltaje de salida amortiguado ajustable entre -3.0 y 45 voltios que sigue de cerca (±3.0 mV) la entrada de referencia. Su voltaje de funcionamiento es de 4.0 a 42 voltios.

Una característica útil del NCV8184DR2G es que en una configuración convencional, puede sobrevivir un cortocircuito con la batería del vehículo sin sufrir daños (Figura 9). El chip también puede soportar un cortocircuito en la batería cuando se alimenta de una fuente aislada a un voltaje más bajo.

Figura 9: El NCV8184DR2G es una opción de menor costo para la regulación del voltaje de la BCU y puede soportar un cortocircuito con la batería del vehículo. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Componentes discretos

Además de los dispositivos monolíticos para IVN, controladores actuadores y regulación de voltaje, ON Semiconductor ofrece una gama de componentes discretos para la electrónica de las puertas, como los diodos Zener de grado automotriz. Pueden utilizarse para proteger el silicio de las BCU de los picos de voltaje causados por factores externos como los rayos y las descargas electrostáticas (ESD) a través de la supresión de tensión transitoria (TVS). (Para más información sobre la protección de la electrónica del automóvil ver el artículo de la biblioteca DigiKey, "Design In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability.")

Una segunda aplicación de los diodos Zener, combinada con una resistencia y un MOSFET, es la base de un regulador de voltaje lineal barato y compacto. Un regulador de voltaje lineal puede ser ensamblado a partir de componentes discretos que regulan el voltaje de la fuente de alimentación de la batería del vehículo para alimentar a los pre-conductores y conductores del actuador (Figura 10). Una batería de automóvil suministra alrededor de 14 voltios mientras que el voltaje de la fuente de alimentación (V_S) para el controlador triple de medio puente NCV7703CD2R2G puede ser de entre 5.5 y 40 voltios. Este simple y barato regulador de voltaje lineal de diodo Zener mantiene un voltaje estable para la electrónica de la puerta al variar la salida de voltaje de la batería del vehículo.

Figura 10: Una porción de una BCU para electrónica de puerta muestra un regulador de voltaje lineal ensamblado a partir de componentes discretos (resaltados). El dispositivo regula el voltaje de la batería del vehículo (Vbat) al voltaje de la fuente de alimentación (VS) necesario para los puentes actuadores. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Un Diodo Zener adecuado para esta aplicación es el SZBZX84C5V1LT3G de ON Semiconductor. Este es un diodo Zener de grado automotriz (AEC-Q101) suministrado en el paquete compacto SOT-23. Estos dispositivos proporcionan una regulación del voltaje con un mínimo de espacio. El diodo Zener tiene una disipación de potencia máxima de 250 miliwatts (mW) y una capacidad de tensión de ruptura Zener que va de 2.4 a 75 voltios, dependiendo del componente seleccionado.

El regulador completo requiere una resistencia para limitar la corriente que fluye a través del diodo Zener. La resistencia debe ser elegida para permitir que fluya suficiente corriente a la carga y al Zener para permitir la regulación, pero no mucho más. El regulador Zener tiene una alta impedancia de la fuente porque toda la corriente de carga debe viajar a través de la resistencia limitadora de corriente, restringiendo la cantidad de corriente que el regulador puede proporcionar a la carga. Esta limitación se supera mediante la amortiguación de la salida del diodo Zener con un seguidor de fuente como el MOSFET que se muestra en la figura 10. (Para más información, ver el artículo de Maker.io "Zener Diode Regulator with Transistor Current Buffer.")

Conclusión

La electrónica de las puertas se ha vuelto cada vez más compleja a medida que los fabricantes de automóviles añaden más funcionalidad a sus vehículos. Esta tendencia ha hecho que sea más difícil para los ingenieros diseñar sistemas que cumplan con las estrictas limitaciones de costo, peso, espacio y confiabilidad.

Como se muestra, los ASIC, ASSP y componentes discretos diseñados para cumplir con las normas automotrices que se complementan entre sí, facilitan el desafío del diseño y permiten un enfoque modular para el diseño de la electrónica de las puertas. Este enfoque hace que sea más sencillo cumplir con las especificaciones y las restricciones de la lista de materiales, manteniendo al mismo tiempo un buen rendimiento y fiabilidad.

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