F-RAM™ para el mercado automotriz

Introducción

Cada año, los automóviles dependen más de la electrónica. Los sistemas que alguna vez fueron mecánicos se han convertido en unidades de control electrónico (ECU). Los nuevos sistemas de seguridad para automóviles y el entretenimiento para usuarios requieren mayor complejidad y una mayor necesidad de recursos.

Descripción general de subsistema electrónico para automóviles

La electrónica del automotor se divide en subsistemas independientes pero conectados. Cada subsistema es responsable de una tarea específica y puede variar en alcance y complejidad, desde una simple interfaz de control de radio hasta un complejo sistema anticolisión. No obstante, estos subsistemas comparten algunas estructuras básicas, por ejemplo, una unidad de microcontrolador (MCU), una interfaz de bus de sistema en forma de CAN, OBD2 y, en los últimos años, Ethernet, sensores de entrada y lógica de control de salida. Además, muchos subsistemas deben almacenar datos de forma inmediata y continua, lo que genera requisitos de diseño de rendimiento y resistencia. Es allí donde RAM ferroeléctrica (F-RAM) de Cypress entra en juego.

Figura 1: Los subsistemas electrónicos para automóviles están en todos lados.

Con F-RAM, los sistemas pueden almacenar datos de forma continua a velocidad de bus completa y sin necesidad de memoria adicional y sobrecarga para administrar la resistencia de las memorias. Esto se debe a que F-RAM es instantáneamente no volátil, no requiere tiempo de remojo adicional para almacenar la información y tiene una resistencia a la escritura de 10¹⁴, cuando la mayoría de las EEPROM y FLASH tienen menos de 10⁶.

Si bien muchos sistemas deben almacenar datos, este artículo se enfoca en aquellos que pueden aprovechar los beneficios de F-RAM. Por ejemplo, una simple ECU de radio debe almacenar datos preconfigurados de los usuarios y el estado actual. Las configuraciones del usuario no son propensas a cambiar con frecuencia; de hecho, luego de su configuración se las considera más o menos ROM. El estado actual, por su parte, sí cambia con frecuencia, pero no es tan importante restaurarlo, por lo que no tiene sentido agregar memoria no volátil a un simple sistema de radio. Dicho esto, más sistemas de entretenimiento y navegación avanzados podrían haber utilizado casos que pueden aprovechar las características de F-RAM.

Este artículo analiza cinco subsistemas automotrices (administración de baterías, control de presión de neumáticos, freno antibloqueo, despliegue de la bolsa de aire y grabador de datos de evento) e identifica la funcionalidad clave de cada uno que les permite aprovechar la oferta de productos F-RAM de Cypress.

Administración de baterías

Un sistema de administración de baterías (BMS) es un sistema de control electrónico que supervisa y controla los sistemas de baterías en vehículos eléctricos e híbridos. Las funciones clave de la unidad son proteger cada celda de la batería frente a daños, prolongar la vida útil de cada celda y proporcionar distribución de energía en tiempo real al vehículo.

El BMS controla los parámetros operativos de cada celda de la batería de forma independiente. Estos parámetros incluyen voltaje de la celda, corriente de la celda (tanto carga como descarga) y temperatura de la celda. Las baterías modernas de ion de litio tienen una densidad de carga (almacenamiento de energía) muy alta y un consumo de corriente alto (baja resistencia interna), pero requieren un control operativo muy estricto. Una de las principales causas de falla de las celdas de ion de litio es la sobrecarga o descarga. Esto hace que el BMS sea importante para cualquier sistema que utiliza celdas de ion de litio.

En los vehículos eléctricos e híbridos modernos, el BMS se conecta con otros subsistemas del vehículo como el sistema de administración de motor para controlar el suministro de potencia, el subsistema de freno para frenado regenerativo, los subsistemas de seguridad para el apagado de potencia y los subsistemas de cabina como comunicación e infoentretenimiento.

La Figura 2 muestra una disposición del BMS y los subsistemas conectados. El sistema básico incluye un ecualizador que se utiliza para mantener la carga adecuada en cada celda y una ECU que supervisa la celda. La ECU recopila información sobre temperatura y voltaje de cada celda junto con las solicitudes de energía de otros subsistemas e indica al ecualizador que mantenga una carga equilibrada en las celdas. Las celdas débiles se cargarán con más frecuencia, y las celdas más fuertes se utilizarán más para las solicitudes de energía. Esto ayuda a incrementar la vida total del paquete de baterías.

Figura 2: Sistema de administración de baterías.

La ECU debe tener la capacidad de ser programada según las diferentes tecnologías de baterías, principalmente ion de litio e híbridas de níquel-metal. El sistema también debe poder supervisar el rendimiento de la celda a corto plazo (los últimos ciclos de poca carga) y a largo plazo (vida útil). Esto es fundamental para maximizar la vida útil de la batería, y supervisar a corto plazo hasta 60 veces por segundo es un requisito único que hace que la alta resistencia de F-RAM de Cypress sea una tecnología de memoria ideal para la aplicación.

Control de presión de neumáticos

El sistema de control de presión de neumáticos (TPMS) controla la presión interna de todos los neumáticos e informa si alguno está poco inflado. Desde el año 2012, este subsistema es obligatorio para todos los vehículos nuevos en Europa y Estados Unidos. El sistema consta de dos módulos clave: un sensor de presión inalámbrico y un receptor/registrador de datos inalámbrico. Los requisitos principales para el sensor de presión son poder ser capaz de autoencenderse y soportar las fuerzas ambientales que le impone el neumático. El requisito de baja potencia de F-RAM de Cypress lo hace ideal para funcionar como almacenamiento de datos en el módulo del sensor.

El receptor/registrador de datos inalámbrico debe poder almacenar datos de todos los sensores y enviar alarmas al usuario cuando se tocan los puntos de activación. Con la resistencia añadida de F-RAM de Cypress, es posible una detección de fuga más elaborada.

Figura 3: Control de presión de neumáticos.

Al almacenar más historial de presión, el TPMS puede no solo activarse en un evento de baja presión, sino también alertar al usuario sobre una fuga lenta en el tiempo. El historial de presión de neumáticos también es valioso al investigar las fallas y los accidentes del equipo. La Figura 3 muestra el diseño básico del sistema del TPMS.

Freno antibloqueo

El sistema de freno antibloqueo (ABS) se utiliza para evitar que las ruedas se bloqueen al frenar. Es una parte fundamental de los sistemas de seguridad del vehículo y ayuda a proporcionar un mejor rendimiento de frenado y dirección en carreteras húmedas y con hielo. El sistema trabaja al modular la presión de frenado en cada rueda de manera independiente. Agrega al sistema de freno tradicional un modulador hidráulico y una ECU que se utiliza para controlar el modulador. El sistema en sí no requiere grandes cantidades de memoria no volátil para operar, pero al igual que en el subsistema TPMS, la capacidad de mantener un registro de eventos puede ser una fuente invaluable para determinar los eventos que generaron un accidente.

El búfer cilíndrico utilizado para registrar los últimos segundos o minutos de eventos del sistema requiere que no haya volatilidad pero sí escrituras rápidas y alta resistencia. F-RAM de Cypress cumple con los tres requisitos del sistema. Con sus escrituras rápidas sin demora, no hay riesgo de perderse la parte más importante de la historia. Además, con su resistencia a la escritura 10¹⁴, la memoria podrá cumplir con los requisitos de vida útil del sistema. La Figura 4 muestra el diseño básico de ABS.

Figura 4: Freno antibloqueo.

Despliegue de la bolsa de aire

El subsistema de despliegue de la bolsa de aire es el sistema principal en una clase de subsistemas conocidos como “sistemas de retracción suplementarios (SRS)”. El SRS se utiliza junto con los sistemas de retracción tradicionales como los cinturones de seguridad. Tiene dos componentes clave: una bolsa expandible hacia adelante y un sensor de impacto/acelerómetro. Para obtener el rendimiento necesario para expandir la bolsa en caso de un accidente, se utiliza una garrafa de gas presurizado. Esto hace que la bolsa de aire sea un sistema de un único uso y que destruya otros componentes del vehículo. Como resultado, resulta costoso desplegarla.

Figura 5: Despliegue de la bolsa de aire.

Debido a la demanda de seguridad y el costo del reemplazo, los fabricantes han añadido una variedad de sensores adicionales para supervisar y registrar a la persona sentada en el asiento. Se incluye un sensor de presión de ocupación del pasajero, que se utiliza para activar el subsistema de la bolsa de aire, junto con una variedad de sensores de posición, a fin de aumentar la efectividad del sistema de la bolsa de aire. Los datos de posición se actualizan constantemente y deben almacenarse hasta el punto de despliegue del sistema, e incluso después. El requisito de registrar constantemente los datos de posición y almacenarnos en la memoria no volátil hace que F-RAM de alto rendimiento, baja potencia y alta resistencia de Cypress sea una solución ideal.

Grabador de datos de evento

Un grabador de datos de evento (EDR) es un subsistema que supervisa y registra información relacionada con el funcionamiento de un vehículo antes y después de una colisión. Este sistema, que también se conoce como la “caja negra”, es un sistema independiente que se conecta y supervisa datos de otros subsistemas en un registro de eventos.

El subsistema EDR consta de dos bloques principales: una interfaz de red y memoria no volátil. A partir del año 2014, la mayoría de los vehículos en Estados Unidos deben incorporar un EDR. Con el requisito de almacenar datos desde tantos subsistemas dentro del vehículo, el rendimiento de escritura en memoria no volátil y el direccionamiento directo de memoria son fundamentales.

La mayoría de las EEPROM y memorias flash tienen una demora en la escritura de 5 milisegundos durante los cuales no se puede acceder al dispositivo, y una falla de alimentación podría provocar la pérdida de los datos. F-RAM de Cypress tiene una demora en la escritura de cero; específicamente, el dispositivo está listo antes de la siguiente pulsación del reloj lógico de la interfaz. Muchas otras memorias no volátiles también requieren un procedimiento de lectura-modificación-escritura a nivel de página para almacenar un único byte de datos, pero F-RAM de Cypress tiene direccionamiento directo por byte, lo que permite que los datos permanezcan sin modificación una vez que son escritos.

Navegación e infoentretenimiento

Los sistemas de navegación se utilizan para permitirle al conductor de un vehículo encontrar destinos y reciben direcciones para llegar a ellos. La mayoría de los sistemas de navegación utilizan señales del sistema de posicionamiento global (GPS) y mapas electrónicos para ayudar a los conductores a llegar hasta sus destinos.

Los sistemas de navegación deben poder encenderse utilizando los datos de ubicación del ciclo de alimentación anterior para encontrar la posición del vehículo cuando el GPS no está disponible temporalmente debido a edificios y otras obstrucciones. En este caso, el sistema depende de un punto de partida conocido del vehículo además de otros sensores como el de velocidad y dirección para calcular su posición.

Figura 6: Navegación.

El sistema de navegación a menudo se integra con el sistema de entretenimiento del vehículo para permitir acceso al sistema de audio y la pantalla del vehículo. Este sistema combinado se denomina “sistema de infoentretenimiento”. El beneficio clave de combinar estos sistemas es directo. Ambos sistemas suponen una considerable interacción del conductor, especialmente el de audio. Con estos sistemas combinados, el sistema de navegación puede fácilmente obtener acceso e interrumpir al sistema de audio para transmitir información importante para el conductor.

Figura 7: Infoentretenimiento.

Módulo de control del motor

El módulo de control del motor (ECM) es el subsistema más potente y costoso en los vehículos modernos. En general, controla todos los aspectos de la generación y distribución de energía dentro del vehículo. El ECM normalmente consta de un microcontrolador de 32 bits que funciona a velocidades mayores a 100 MHz con varios megabytes de memoria del sistema, una variedad de interfaces de red para acceder a otros subsistemas y docenas de sistemas de control de entrada y salida. Toma las entradas del usuario de varios controles y los ingresa, junto con el estado actual del motor, a un modelo de control de motor que dirige los componentes del motor.

Antes de los ECM electrónicos, el diseñador de motores debía equilibrar el comportamiento del motor como parte del diseño, pero con la introducción de los ECM modernos, el comportamiento del motor se adapta en tiempo real y le permite al usuario aplicar diferentes perfiles de rendimiento. Debido a que el ECM puede adaptarse en tiempo real, mejora enormemente el rendimiento y la eficacia del motor.

Figura 8: Módulo de control del motor.

Las ventajas de F-RAM de Cypress yacen en cómo el sistema registra su estado actual. Dado que algunos componentes se desgastan, almacenar el estado actual en una memoria no volátil le permite al sistema funcionar con efectividad desde el arranque, y, dado que el sistema desconoce cuándo se quedará sin energía, debe almacenar continuamente el estado del sistema, lo que requiere la gran resistencia a la escritura de F-RAM.

Sistema de asistencia automática al conductor

El sistema de asistencia automática al conductor (ADAS) es una recopilación de sistemas de seguridad diseñados para evitar que el conductor de un vehículo participe en un accidente. Estos sistemas incluyen frenado de emergencia autónomo (AEB), alerta por cambio involuntario de carril (LDW) y control de crucero adaptativo (ACC), que deben poder registrar datos en tiempo real y almacenarlos.

Los tres sistemas utilizan alguna forma de imágenes orientadas hacia adelante, ya sea visual o de radar, para detectar si el vehículo se encuentra dentro de las pautas de seguridad. En el ACC, se utiliza un radar para mantener una brecha de tiempo mínima delante del vehículo. En el AEB, se utiliza un radar para detectar si el vehículo se está acercando a una obstrucción demasiado rápido y para aplicar los frenos. En el LDW, se utiliza un radar para detectar las líneas del carril delante del vehículo y determinar si el vehículo está cambiando de carril.

Matriz de pieza automotriz F-RAM

F-RAM de Cypress tiene tres ventajas clave sobre EEPROM y flash que deberían utilizarse para identificar las aplicaciones específicas:

• F-RAM es instantáneamente no volátil, lo que la hace la solución perfecta para las aplicaciones que tienen requisitos de sincronización precisos en la que la mayoría de los datos importantes a menudo está en riesgo de enfrentarse a fallas del sistema, como los registradores de datos.
• F-RAM tiene una resistencia a la escritura de 10¹⁴ frente a EEPROM de 10⁶ y flash de 10⁵, lo que la hace ideal para hacer un seguimiento a los registradores de datos, donde constantemente se escriben datos.
• F-RAM tiene un requisito menor de energía para escritura, por lo que es ideal para las aplicaciones que tienen fuentes de energía independientes, como baterías o capacitores.

F-RAM también es más resistente a la temperatura externa, por lo que su resistencia a la escritura y su retención de datos se mantienen mejor cuando la temperatura de funcionamiento aumenta. Muchas especificaciones de resistencia de EEPROM son a 85 °C, lo que hace que no sean aptos para aplicaciones automotrices que requieren 125 °C, mientras que la resistencia de EEPROM cae a 105 °C.

La Tabla 1 enumera la oferta de productos F-RAM de Cypress y sus parámetros clave.

Número de pieza	Densidad	E/S	Voltaje	Temperatura	Velocidad de E/S	Resistencia	Retención a 85 °C
CY15B128J-SXA	128 Kb	I²C	2 V a 3.6 V	–40 °C a 85 °C	3.4 MHz	1014	100 años
CY15B256J-SXA	256 Kb	I²C	2 V a 3.6 V	–40 °C a 85 °C	1 MHz	1014	100 años
FM24CL64B-GA	64 Kb	I²C	3 V a 3.6 V	-40 °C a 125 °C	1 MHz	1014	100 años
CY15B102Q-SXE	2048 Kb	SPI	2 V a 3.6 V	–40 °C a 125 °C	20 MHz	1014	100 años
CY15B128Q-SXA	128 Kb	SPI	2 V a 3.6 V	–40 °C a 85 °C	40 MHz	1014	100 años
CY15B256Q-SXA	256 Kb	SPI	2 V a 3.6 V	–40 °C a 85 °C	40 MHz	1014	100 años
FM25040B-GA	4 Kb	SPI	4.5 V a 5.5 V	–40 °C a 125 °C	14 MHz	1014	100 años
FM25640B-GA	64 Kb	SPI	4.5 V a 5.5 V	–40 °C a 125 °C	4 MHz	1014	100 años
FM25C160B-GA	16 Kb	SPI	4.5 V a 5.5 V	–40 °C a 125 °C	15 MHz	1014	100 años
FM25CL64B-GA	64 Kb	SPI	3 V a 3.6 V	–40 °C a 125 °C	16 MHz	1014	100 años
FM25L04B-GA	4 Kb	SPI	3 V a 3.6 V	–40 °C a 125 °C	10 MHz	1014	100 años

Tabla 1: Línea de productos automotrices F-RAM de Cypress.

Aplicaciones clave para F-RAM

En resumen, F-RAM es una tecnología de memoria no volátil de alta resistencia, con direccionamiento por byte y de baja potencia sin demoras en la escritura. Los candidatos ideales para esta tecnología son sistemas que necesitan memoria no volátil y que pueden aprovechar la resistencia a la escritura o la velocidad de escritura de F-RAM.

Las aplicaciones en las que la resistencia a la escritura es importante son los registradores de datos basados en el tiempo que deben poder registrar y almacenar datos hasta, y después, que se produzca un evento. Algunos ejemplos son: registros de accidentes, controles de crucero adaptativos, registradores de bolsa de aire, frenado de emergencia autónomo, administración de baterías, control del motor, registradores de datos del evento y control de presión de neumáticos.

Las aplicaciones en las que la velocidad de escritura es importante son aquellas en las que los datos más importantes son aquellos sobre la falla del sistema. Algunos ejemplos son: registradores de accidentes, administración de baterías, control de presión de neumáticos, navegación y control del motor.