כיצד להבטיח את הבטיחות בכלי-רכב באמצעות משרנים בעלי אמינות גבוהה

מאת ‎ארט פיני

באדיבות ‎DigiKey's North American Editors

מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS) ומערכות נהיגה אוטומטית (ADS) הן מערכות נהיגה אוטונומית לרכב קריטיות-לבטיחות, הכוללות מעבד אחד או יותר מתקדמים המקבלים החלטות קריטיות על סמך כניסות של מספר חיישנים. מעבדים אלה פועלים בדרך כלל ברמות מתח נמוך שונות אך עשויים לצרוך זרם בתחום דו-ספרתי של אמפרים (A).

מעגלים-משולבים לניהול הספקת-כוח (PMIC) משמשים להספקת מספר מתחים למעבדים, אך הם דורשים משרנים בעלי אמינות גבוהה כדי להבטיח הספקת-כוח יציבה. משרנים אלה חייבים להיות מסוגלים להתמודד עם זרמים גדולים ועם הפסדי הספק נמוכים בתדרי מיתוג של עד 10 מגה-הרץ (MHz). המשרנים צריכים גם להיות יעילים מבחינה נפחית עם חתימת-שטח קטנה על לוח המעגלים המודפסים (PCB) ועם פרופיל נמוך. כמו כל הרכיבים במערכות נהיגה אוטונומית, עליהם לעמוד בתקני האמינות והבטיחות המחמירים הנדרשים על ידי תעשיית הרכב, כגון AEC-Q200.

מאמר זה מתאר בקצרה את דרישות העיבוד של ADAS/ADS. לאחר מכן הוא מציג משרנים של TDK שתוכננו במיוחד עבור יישום זה ומראה כיצד המאפיינים הייחודיים שלהם יכולים לעזור להבטיח תכני רכב חסונים ובטוחים.

מערכות נהיגה אוטונומית

מערכת ADAS/ADS טיפוסית משתמשת במעבד מיוחד עם המתממשק עם מספר חיישנים כדי לקבל את ההחלטות המהירות הנחוצות עבור נהיגה אוטונומית (איור 1).

תרשים של מעבד בתוך מערכת ADAS/ADS‏ (לחצו להגדלה)איור 1: המעבד בתוך מערכת ADAS/ADS זקוק להספקת-כוח אמינה במתח נמוך וברמות זרם גבוהות המסופק על ידי ה-PMIC על מנת לשלוט ברכב על סמך כניסות החיישנים. (מקור התמונה: EPCOS-TDK‏)

מתח פסי הספקת-הכוח עבור מעבדים אלה הוא בדרך כלל נמוך, בערך 1 וולט, אך רמות הזרם יכולות להיות של עשרות אמפרים, המעמיסים מאד את ה-PMIC. הממיר המשני באיור 1 משתמש בשמונה משרני הספק עם ה-PMIC כדי לספק כוח למעבד.

משרני הספק הם התקנים פסיביים האוגרים אנרגיה בשדות האלקטרומגנטיים שלהם ונמצאים בשימוש נרחב במעגלי הספקת-כוח וממירי DC/DC. בשימוש עם ה-PMIC כממירים מורידי-מתח (Buck), משרני ההספק הם רכיבי מפתח המשפיעים על הביצועים של תהליך המרת ההספק (איור 2).

תמונה של תרשים מפושט של ממיר Buck‏ יחיד(לחצו להגדלה)איור 2: התרשים המפושט של ממיר Buck‏ יחיד מדגיש את תפקידו של משרן ההספק. (מקור התמונה: EPCOS-TDK‏)

ממיר Buck‏ מייצר מתח יציאה הנמוך יותר ממתח הכניסה. בממיר Buck יש מתג בטור עם מקור מתח הכניסה (IN‏V‏). מקור הכניסה מזין את היציאה דרך המתג ומסנן מעביר-נמוכים. המסנן ממומש באמצעות משרן הספק וקבל יציאה. במצב-יציב, כאשר המתג פועל למשך של ON‏T‏, הכניסה דוחפת את היציאה כמו גם את משרן ההספק. במהלך משך ON‏T‏, ההפרש ברמות המתח בין IN‏V‏ לבין מתח היציאה (OUT‏V‏) מיושם על המשרן בכיוון קדימה, כמתואר על ידי החץ 'Switch ON'. זרם המשרן (L‏I‏) עולה באופן ליניארי עד Peak‏I‏.

כאשר המתג במצב מופסק (OFF‏T‏), זרם המשרן ממשיך לזרום באותו כיוון עקב האנרגיה האגורה הממשיכה לספק זרם לעומס דרך דיודת הקומוטציה, כפי שמוצג על ידי החץ 'Switch OFF'. במהלך משך OFF‏T‏ זה, על המשרן מופעל מתח היציאה OUT‏V‏ בכיוון ההפוך, וזרם המשרן יורד מערך Peak‏I‏. זה גורם לזרם אדווה בצורת משולש. גודל זרם האדווה הוא ביחס להשראות של משרן ההספק. ערך ההשראות מוגדר בדרך כלל כך שיגרום לזרם אדווה של 20-30% מזרם היציאה הנומינלי. מתח היציאה יהיה פרופורציונלי ליחס המחזור של המתג.

אם העומס גדל בפתאומיות, תהיה ירידה במתח היציאה, וכתוצאה מכך זרם שיא גדול באופן חריג דרך משרן ההספק במשך זמן קצר כדי לטעון את קבל היציאה. הערך של משרן ההספק משפיע על ההיענות לטרנזיינטים של הממיר: ערכי משרן קטנים מאיצים את זמן ההתאוששות וערכים גדולים יותר מאריכים את זמן ההתאוששות.

בסביבת רכב, משרנים אלו חייבים לעמוד בתקנים חשמליים ומכניים גבוהים ביותר. הבולט שבהם הוא אמינות גבוהה. האמינות והאיכות של רכיבים פסיביים המיועדים לפעולה ברכבים מחייבים הרשאה לפי תקנים שנקבעו על ידי ה-Automotive Electronics Council‏ (AEC‏). רכיבים פסיביים חייבים להיות מורשים לפי AEC-Q200, התקן העולמי עבור עמידות במאמצים שכל הרכיבים האלקטרוניים הפסיביים חייבים לעמוד בו אם הם מיועדים לשימוש בתעשיית הרכב. הבדיקות כוללות חסינות בפני זעזועים, רעידות, לחות, ממיסים, חום הלחמה, גמישות לוח ופריקה אלקטרוסטטית (ESD). הבדיקות כוללות גם בדיקות בטמפרטורות של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+ עם חשיפה לטמפרטורות קיצוניות ומחזוריות תרמית.

עבור יישומי רכב, המשרנים חייבים להיות בעלי ממדים קומפקטיים ולהיות מסוגלים לפעול בתחום הטמפרטורות הצפוי לרכב. היכולת האחרונה דורשת התנגדות טורית נמוכה כדי למזער את הפסדי ההספק ואת עליית הטמפרטורה. המשרנים צריכים להיות מסוגלים לפעול גם בתדרי מיתוג הספק בתחום של 2 עד 10 מגה-הרץ המשמשים בדרך כלל על-ידי ה-PMIC, וגם להיות מסוגלים להתמודד עם עומסי טרנזיינטים גבוהים עם אפשרות לזרמי רוויה גבוהים.

משרני הספק המתוכננים עבור כלי-רכב

משרני ההספק סדרת CLT32‏ של EPCOS-TDK מתוכננים עבור יישומי ADAS/ADS ולהם אמינות גבוהה, דירוג זרם גבוה, התנגדות טורית נמוכה, זרמי רוויה גבוהים וגודל קטן (איור 3).

תמונה של משרני הספק סדרת CLT32 של TDKאיור 3: משרני ההספק סדרת CLT32 של TDK הם בעלי מבנה סליל/הדק ביחידה-אחת ומשתמשים בליפופי נחושת עבים ללא חיבורים פנימיים. חומר היציקה המגנטי מבטיח מאפיין רוויה רך. (מקור התמונה: EPCOS-TDK‏)

משרני ההספק CLT32 מעוצבים סביב סליל נחושת עבה ביחידה-אחת עם מבנה הדק אינטגרלי. המשמעות היא שאין חיבורים פנימיים הגורמים לפעולה לא-אמינה. סליל הנחושת העבה גם שומר על התנגדות טורית נמוכה של 0.39 מילי-אוהם (mΩ) כדי למזער את הפסדי ההספק. ההתנגדות הנמוכה יותר גורמת גם לחום נמוך יותר הנוצר תחת עומס.

הסליל היצוק עם תרכובת פלסטיק פרו-מגנטי (Ferromagnetic) שפותחה לאחרונה יוצרים גם את הליבה של הסליל וגם את הבית החיצוני. לחומר הליבה יש מאפיינים חשמליים מצוינים, אפילו בטמפרטורות גבוהות וביישומים בתדר גבוה. יש לציין במיוחד את הפסדי הליבה הנמוכים. כמו כן, היכולת של החומר להיות מעובד בלחץ נמוך ובטמפרטורה נמוכה ממזערת את המאמץ על הסליל במהלך הייצור.

חומר הליבה מספק מאפיין רוויה רך בהשוואה לחומרי פרייט (Ferrite‏) חלופיים. השינוי בהשראות כתוצאה מרוויה מגנטית מבוטא כסחיפת רוויה, הנמדדת כאחוז השינוי בהשראות (איור 4).

תמונה של ליבת EPCOS CLT32 המציגה סחף רוויה נמוךאיור 4: בתגובה לרוויה מגנטית, ליבת CLT32 מציגה סחף רוויה נמוך, ומעניקה היענות רכה. (מקור התמונה: EPCOS-TDK‏)

חומר הליבה CLT32 מעניק שינוי נמוך יותר באופן ניכר בערך השראות עקב רוויה, במיוחד בטמפרטורות גבוהות יותר. הוא מציע זרמי רוויה מקסימליים של עד A‏ 60‏.

המשרן כולו מתאים עבור מארז בפרופיל נמוך בגודל של 3.2 על 2.5 על 2.5 מילימטרים (מ"מ). נצילות נפחית גבוהה זו פירושה שניתן להשתמש במספר משרנים ללא צורך להעביר את התכן ללוח מעגלים מודפסים גדול יותר. המשרנים מדורגים לפעולה בתחום הטמפרטורות של 40°C- עד 165°C+. תחום טמפרטורות זה עולה על הדרישות של טמפרטורת הבדיקה המקסימלית של AEC-Q200 של 125°C, שהוזכרו לעיל.

משרני ההספק CLT32 של TDK זמינים בערכי השראות של מ-17 עד 440 ננו-הנרי (nH), כפי שמוצג בטבלה 1.

השראות DC‏R, טיפוסי SAT‏I‏ ב-23°C+ temp‏I‏ ב-23°C+ קוד פנימי קוד הזמנה
nH‏ 17 mΩ‏ 0.39 A‏ 60.0 A‏ 45.0 B82403T0170M000 CLT32-17N
nH‏ 42 mΩ‏ 1.0 A‏ 54.0 A‏ 28.0 B82403T0420M000 CLT32-42N
nH‏ 55 mΩ‏ 1.0 A‏ 39.5 A‏ 28.0 B82403T0550M000 CLT32-55N
nH‏ 80 mΩ‏ 1.9 A‏ 36.0 A‏ 20.0 B82403T0800M000 CLT32-80N
nH‏ 110 mΩ‏ 1.9 A‏ 29.0 A‏ 20.0 B82403T0111M000 CLT32-R11
nH‏ 150 mΩ‏ 3.3 A‏ 25.4 A‏ 15.4 B82403T0151M000 CLT32-R15
nH‏ 200 mΩ‏ 3.3 A‏ 20.5 A‏ 15.4 B82403T0201M000 CLT32-R20
nH‏ 310 mΩ‏ 5.3 A‏ 17.5 A‏ 12.1 B82403T0311M000 CLT32-R31
nH‏ 440 mΩ‏ 7.6 A‏ 13.5 A‏ 10.1 B82403T0441M000 CLT32-R44

טבלה 1: מוצגים מאפייני המפרט של משרני ההספק CLT32 של TDK וקוד ההזמנה המתאים להם. כולם מתאימים לאותו מארז בפרופיל נמוך של 3.2 על 2.5 על 2.5 על 2.5 מ"מ. (מקור הטבלה: EPCOS-TDK‏)

בהתייחס לטבלה, DC‏R‏ היא ההתנגדות הטורית של המשרן. שימו לב שהיא עולה ככל שערך השראות עולה, וזאת עקב המספר הגדול יותר של ליפופים הנדרש עבור השראות גבוהה יותר. SAT‏I‏ הוא זרם הרוויה המבוסס על הפחתת ערך ההשראות עקב הרוויה, והוא משתנה ביחס הפוך לערך ההשראות. temp‏I‏ הוא הזרם המקסימלי הנומינלי, על בסיס עליית הטמפרטורה בתוך המארז. temp‏I‏ גם משתנה ביחס הפוך לערך השראות.

ההפסדים במשרן ההספק כוללים הפסדי DC שהם פרופורציונליים להתנגדות הטורית של הסליל. ישנם גם הפסדי AC עקב אפקט המעטפת (Skin Effect), הפסדי היסטרזיס והפסדי זרם מערבולת (Eddy‏). הפסדי AC‏ זרם מערבולת קשורים לחומר הליבה.

בהשוואה לטכנולוגיות חלופיות, כמו משרני פילם דק או תרכובות מתכת, משרני CLT32 מציגים הפסדי הספק זרם אדווה נמוכים יותר (איור 5).

גרף של משרני הספק EPCOS CLT32 עם הפסדי הספק זרם אדווהאיור 5: למשרני ההספק CLT32 יש הפסדי הספק זרם אדווה נמוכים יותר לעומת טכנולוגיות משרן פילם דק או תרכובת מתכת. (מקור התמונה: EPCOS-TDK‏)

הפסדי אדווה AC נמוכים פירושם שניתן לפעול עם זרמי אדווה גבוהים יותר המאפשרים ערכי קיבוליות נמוכים יותר בממירי DC/DC.

הפסדים נמוכים יותר מתורגמים גם לנצילות גבוהה יותר בהשוואה לסוגי משרנים אחרים (איור 6).

גרף של השוואת הביצועים של משרני הספקאיור 6: השוואת הביצועים של משרני הספק בממיר Buck‏ עם יציאה-יחידה מראה את הנצילות הגבוהה יותר של משרני ההספק CLT32. (מקור התמונה: EPCOS-TDK‏)

תחת עומסים קלים, הפסדי הליבה הם דומיננטיים בנצילות של משרן ההספק. עומס גבוה יותר מפחית את הנצילות עקב הפסדים התנגדותיים. בכל המקרים, משרני ההספק CLT32 טובים יותר לעומת הטכנולוגיות החלופיות.

סיכום

עקרונות התכן החדשניים המשולבים במשרני ההספק CLT32 של TDK‏ מציעים גדלים קטנים יותר וביצועים חשמליים טובים יותר לעומת טכנולוגיות תחרותיות תוך הבטחת אמינות גבוהה יותר. תחומי הטמפרטורות והתדרים הרחבים שלהם הופכים אותם לרכיבים אידיאליים עבור שימוש בתכני ADAS/ADS של הדור-הבא.

DigiKey logo

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.

אודות כותב זה

Image of Art Pini

ארט פיני

ארתור (ארט) פיני הוא כותב תורם אצל DigiKey. יש לו תואר ראשון בהנדסת חשמל ממכללת סיטי קולג' בניו יורק ותואר שני בהנדסת חשמל מאוניברסיטת סיטי בניו יורק. יש לו ניסיון של למעלה מ- 50 שנה בתעשיית האלקטרוניקה והוא עבד בתפקידי הנדסה ושיווק מרכזיים בחברות Teledyne LeCroy‏, Summation‏, Wavetek‏ ו- Nicolet Scientific‏. תחומי העניין שלו הם בטכנולוגיית מדידות ויש לו ניסיון רב באוסצילוסקופים, נתחי ספקטרום, מחוללי צורות-גל כלשהן, דיגיטייזרים ומדי הספק.

אודות מוציא לאור זה

DigiKey's North American Editors