Autojen turvallisuuden varmistaminen käyttämällä erittäin luotettavia induktoreita

Kehittyneet kuljettajan apujärjestelmät (ADAS) ja automaattiset ajojärjestelmät (ADS) ovat turvallisuuden kannalta kriittisiä ajoneuvojen autonomisia ajojärjestelmiä, joihin kuuluu yksi tai useampi kehittynyt prosessori. Nämä prosessorit tekevät kriittisiä päätöksiä lukuisista antureista saadun datan perusteella. Prosessorit toimivat tyypillisesti erilaisilla matalilla jännitetasoilla, mutta ne voivat käyttää virtaa kaksinumeroisella ampeerialueella (A).

Prosessoreille syötetään useita jännitteitä yleensä tehonhallintamikropiireillä (PMIC-piirit), mutta ne vaativat erittäin luotettavia induktoreja varmistamaan stabiili virta. Näiden induktoreiden täytyy pystyä käsittelemään suuria virtoja pienin tehohäviöin jopa 10 megahertsin (MHz) kytkentätaajuuksilla. Induktoreiden täytyy olla myös volumetrisesti tehokkaita ja matalaprofiilisia. Ne saavat viedä vain vähän tilaa piirilevyltä. Kuten kaikkien autonomisten ajojärjestelmien komponenttien, niidenkin on täytettävä autoteollisuuden vaatimat tiukat luotettavuus- ja turvallisuusstandardit, kuten AEC-Q200.

Tässä artikkelissa kuvataan ensin lyhyesti ADAS/ADS-järjestelmien prosessointivaatimuksia. Sen jälkeen siinä esitellään TDK:n induktoreita, jotka on suunniteltu erityisesti tähän käyttötarkoitukseen, ja osoitetaan, miten niiden ainutlaatuisilla ominaisuuksilla voidaan taata robusti ja turvallinen ratkaisu autokäyttöön.

Autonomiset ajojärjestelmät

Tyypillisessä ADAS- tai ADS-järjestelmässä käytetään erikoistunutta prosessoria, joka on yhdistetty lukuisiin antureihin, jotta se voi tehdä autonomisessa ajossa tarvittavia nopeita päätöksiä (kuva 1).

Kuva 1: ADAS/ADS-järjestelmän prosessori tarvitsee PMIC-piiriltä luotettavaa pienjännitevirtaa korkeilla virranvoimakkuuksilla ajoneuvon ohjaamiseksi anturitulojen perusteella. (Kuvan lähde: EPCOS-TDK)

Näiden prosessoreiden jännitetaso on yleensä alhainen, noin 1 voltti, mutta virranvoimakkuus voi olla kymmeniä ampeereja, mikä kuormittaa PMIC-piiriä. Kuvassa 1 esitetyssä sekundäärimuuntimessa käytetään PMIC-piirin kanssa kahdeksaa tehoinduktoria prosessorin virransyöttöön.

Tehoinduktorit ovat passiivisia laitteita, jotka varastoivat energiaa omiin sähkömagneettisiin kenttiinsä, ja niitä käytetään laajalti virtalähdepiireissä ja DC/DC-muuntimissa. PMIC-piirin kanssa jännitteenalennusmuuntimina käytettävät tehoinduktorit ovat keskeisiä komponentteja, jotka vaikuttavat tehonmuuntoprosessin suorituskykyyn (kuva 2).

Kuva 2: Yksinkertaistettu kaaviokuva yksittäisestä jännitteenalennusmuuntimesta korostaa tehoinduktorin roolia. (Kuvan lähde: EPCOS-TDK)

Jännitteenalennusmuunnin tuottaa tulojännitettä matalamman lähtöjännitteen. Jännitteenalennusmuuntimessa kytkin kytketään sarjaan tulojännitelähteen (V_IN) kanssa. Tulolähde syöttää virran lähtöön kytkimen ja alipäästösuodattimen kautta. Suodatin on toteutettu tehoinduktorilla ja lähtökondensaattorilla. Tulo ohjaa vakaassa toimintatilassa lähtöä sekä tehoinduktoria kytkimen ollessa päällä ajan T_ON. Tulojännitteen (V_IN) ja lähtöjännitteen (V_OUT) välinen jännite-ero syötetään tämän T_ON-jakson aikana eteenpäin induktoriin, kuten ”Switch on” (Kytkin päällä) -nuoli osoittaa. Induktorin virta (I_L) nousee lineaarisesti I_peak-arvoon.

Kun kytkin on pois päältä (T_OFF), induktorivirta kulkee edelleen samaan suuntaan, koska induktoriin varastoitu energia jatkaa virran syöttämistä kuormaan kommutointidiodin kautta, kuten ”Switch off” (Kytkin pois päältä) -nuoli osoittaa. Tämän T_OFF-jakson aikana induktorin lähtöjännite V_OUT on vastakkainen ja induktorin virta laskee I_peak-arvosta. Tämä johtaa kolmiomaiseen rippelivirtaan. Rippelivirran suuruus riippuu tehoinduktorin induktanssista. Induktanssin arvo asetetaan yleensä siten, että se vastaa 20–30 % nimellisestä lähtövirrasta. Lähtöjännite on verrannollinen kytkimen käyttöjakson kanssa.

Jos kuorma äkillisesti kasvaa, lähtöjännite laskee, jolloin tehoinduktorin läpi kulkee lyhyessä ajassa tavallista suurempi huippuvirta lähtökondensaattorin lataamiseksi. Tehoinduktorin arvo vaikuttaa muuntimen transienttivasteeseen: pienet induktoriarvot nopeuttavat elpymisaikaa ja suuremmat arvot pidentävät elpymisaikaa.

Ajoneuvoympäristössä näiden induktoreiden pitää täyttää erittäin korkeat sähköiset ja mekaaniset vaatimukset. Tärkein näistä vaatimuksista on korkea luotettavuus. Ajoneuvokäyttöön tarkoitettujen passiivisten komponenttien luotettavuus ja laatu mitataan Automotive Electronics Councilin (AEC) asettamien standardien mukaisesti. Passiiviset komponentit arvioidaan maailmanlaajuisen kuormituksenkestävyysstandardin AEC-Q200 mukaisesti. Kaikkien passiivisten elektroniikkakomponenttien tulee täyttää se, mikäli ne on tarkoitettu autoteollisuuden käyttöön. Testattaviin asioihin kuuluvat iskujen, tärinän, kosteuden, liuottimien, juotoslämmön, piirilevyn joustavuuden ja sähköstaattisen purkauksen (ESD) kesto. Testeihin kuuluu myös lämpötilatestaus alueella −40 ... +125 °C ja ne sisältävät altistumisen äärimmäisille lämpötiloille ja lämpötilavaihteluille.

Induktoreiden täytyy olla ajoneuvosovelluksissa pienikokoisia ja pystyä toimimaan ajoneuvojen odotetulla lämpötila-alueella. Jälkimmäinen edellyttää alhaista sarjavastusta tehohäviön ja lämpötilan nousun minimoimiseksi. Induktoreiden täytyy myös pystyä toimimaan kytkentätaajuuksilla 2–10 MHz, joita PMIC-piirit tyypillisesti käyttävät, sekä kestämään korkeita transienttikuormia ja mahdollisia korkeita kyllästymisvirtoja.

Autoteollisuuteen suunnitellut tehoinduktorit

EPCOS-TDK:n CLT32-sarjan tehoinduktorit on suunniteltu ADAS/ADS-sovelluksiin, ja niiden ominaisuuksiin kuuluvat korkea luotettavuus, korkea virtaluokitus, alhainen sarjavastus, korkea kyllästymisvirta ja pieni koko (kuva 3).

Kuva 3: TDK:n CLT32-sarjan tehoinduktoreissa on yksiosainen kela/liitinrakenne, jossa käytetään paksua kuparikäämitystä ilman sisäisiä liitäntöjä. Magneettinen valumateriaali takaa pehmeän kyllästymiskäyttäytymisen. (Kuvan lähde: EPCOS-TDK)

CLT32-tehoinduktorit on muodostettu yksiosaisen, paksun kuparikäämin ympärille, ja se tarjoaa kiinteän liitinrakenteen. Tämä tarkoittaa, että siinä ei ole luotettavuutta mahdollisesti heikentäviä sisäisiä liitäntöjä. Paksu kuparikela pitää myös sarjavastuksen niinkin alhaisena kuin 0,39 milliohmia (mΩ) tehohäviöiden minimoimiseksi. Alhaisempi vastus johtaa myös matalampaan lämmönkehitykseen kuormituksen aikana.

Kela on valettu hiljattain kehitetyllä ferromagneettisella muoviseoksella, joka muodostaa sekä kelan ytimen että ulkokotelon. Ydinmateriaalilla on erinomaiset sähköiset ominaisuudet myös korkeissa lämpötiloissa ja korkeataajuussovelluksissa. Erityisen huomionarvoisia ovat alhaiset ydinhäviöt. Koska materiaalia voidaan työstää matalassa paineessa ja matalassa lämpötilassa, kelaan tuotannon aikana kohdistuva rasitus minimoituu.

Ydinmateriaali tarjoaa pehmeän kyllästymiskäyttäytymisen vaihtoehtoisiin ferriittimateriaaleihin verrattuna. Magneettisen kyllästymisen seurauksena tapahtuva induktanssin muutos ilmaistaan kyllästymisryömintänä, joka mitataan induktanssin prosentuaalisena muutoksena (kuva 4).

Kuva 4: CLT32-ydin vastaa alhaisella kyllästymisryöminnällä magneettiseen kyllästymiseen, mikä takaa pehmeän vasteen. (Kuvan lähde: EPCOS-TDK)

CLT32-ydinmateriaalin ansiosta induktanssiarvo muuttuu kyllästymisen seurauksena huomattavasti vähemmän, erityisesti korkeammissa lämpötiloissa. Ne tarjoavat jopa 60 A:n maksimikyllästymisvirran.

Koko induktori mahtuu matalaprofiiliseen koteloon, jonka mitat ovat 3,2 x 2,5 x 2,5 millimetriä (mm). Tämä korkea volumetrinen tehokkuus tarkoittaa, että ratkaisussa voidaan käyttää useita induktoreita ilman, että sitä pitäisi siirtää suuremmalle piirilevylle. Induktorit on luokiteltu lämpötila-alueelle −40 ... +165 °C. Tämä lämpötila-alue ylittää edellä mainitun AEC-Q200-testin 125 °C:n enimmäislämpötilan vaatimukset.

TDK:n CLT32-tehoinduktoreita on saatavilla induktanssiarvolla 17–440 nanohenryä (nH) taulukon 1 mukaisesti.

Taulukko 1: TDK:n CLT32-tehoinduktoreiden määritellyt ominaisuudet ja niitä vastaavat tilauskoodit. Kaikki mahtuvat samaan matalaprofiiliseen koteloon, jonka mitat ovat 3,2 x 2,5 x 2,5 x 2,5 mm. (Taulukon lähde: EPCOS-TDK)

Taulukossa käytettävä R_DC on induktorin sarjavastus. Huomaa, että se skaalautuu induktanssiarvon mukana, koska suuremmat induktanssiarvot edellyttävät korkeampaa kierrosten lukumäärää. I_SAT on kyllästymisvirta, joka perustuu kyllästymisestä johtuvaan induktanssiarvon pienenemiseen ja joka skaalautuu käänteisesti induktanssin kanssa. I_temp on suurin nimellisvirta, joka perustuu kotelon lämpötilan nousuun. Myös I_temp skaalautuu käänteisesti induktanssiarvon kanssa.

Tehoinduktorin häviöt sisältävät käämin sarjavastukseen verrannolliset DC-häviöt. Lisäksi esiintyy tunkeutumisilmiöstä, hystereesihäviöstä ja pyörrevirtahäviöstä johtuvia AC-häviöitä. Pyörrevirtahäviöt liittyvät ytimen materiaaliin.

CLT32-induktoreissa on pienempi rippelivirran tehohäviö verrattuna vaihtoehtoisiin tekniikoihin, kuten ohutkalvo- tai metallikomposiitti-induktorit (kuva 5).

Kuva 5: CLT32-tehoinduktoreilla on pienempi rippelivirran tehohäviö kuin ohutkalvo- tai metallikomposiitti-induktoritekniikoilla. (Kuvan lähde: EPCOS-TDK)

Alhaiset AC-rippelivirtahäviöt tarkoittavat, että komponentti voi kestää suurempia rippelivirtoja, mikä mahdollistaa alhaisemmat kapasitanssiarvot DC/DC-muuntimissa.

Pienemmät häviöt tarkoittavat myös korkeampaa hyötysuhdetta muihin induktorityyppeihin verrattuna (kuva 6).

Kuva 6: Tehoinduktorien suorituskyvyn vertailu yksilähtöisessä jännitteenalennusmuuntimessa osoittaa CLT32-tehoinduktoreiden korkeamman hyötysuhteen. (Kuvan lähde: EPCOS-TDK)

Ydinhäviöillä on hallitseva rooli tehoinduktorin hyötysuhteeseen kevyellä kuormituksella. Korkeammalla kuormituksella hyötysuhde heikkenee resistiivisten häviöiden vuoksi. CLT32-tehoinduktorit ovat kaikissa tapauksissa parempia kuin vaihtoehtoiset tekniikat.

Yhteenveto

TDK:n CLT32-sarjan tehoinduktoreihin integroidut innovatiiviset suunnittelukonseptit tarjoavat pienemmän koon ja paremman sähköisen suorituskyvyn kuin kilpailevat teknologiat ja takaavat samalla korkeamman luotettavuuden. Niiden laaja lämpötila-alue ja leveä taajuusalue tekevät niistä ihanteellisia komponentteja seuraavan sukupolven ADAS/ADS-ratkaisuihin.