Cómo garantizar la seguridad del automóvil con inductores de alta fiabilidad

Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y los sistemas de automatización de la conducción (ADS) son sistemas de conducción autónoma de automóviles críticos para la seguridad que constan de uno o varios procesadores avanzados que toman decisiones críticas basadas en las entradas de múltiples sensores. Estos procesadores suelen funcionar a distintos niveles de voltaje bajo, pero pueden consumir una corriente de dos dígitos de amperios (A).

Los circuitos integrados de administración de energía (PMIC) se utilizan para suministrar varios voltajes a los procesadores, pero necesitan inductores de alta fiabilidad para garantizar una alimentación estable. Estos inductores deben ser capaces de manejar grandes corrientes con bajas pérdidas de potencia a frecuencias de conmutación de hasta 10 megahercios (MHz). Los inductores también tienen que ser volumétricamente eficientes, con una pequeña placa de circuito impreso (CI) y un bajo perfil. Como todos los componentes de los sistemas de conducción autónoma, deben cumplir las estrictas normas de fiabilidad y seguridad exigidas por la industria automotriz, como la AEC-Q200.

Este artículo describe brevemente los requisitos de procesamiento de los sistemas ADAS/ADS. A continuación, se presentan los inductores de TDK especialmente diseñados para esta aplicación y se muestra cómo sus características únicas pueden ayudar a garantizar un diseño robusto y seguro del automóvil.

Sistemas de conducción autónoma

Un ADAS/ADS típico utiliza un procesador especializado interconectado con múltiples sensores para tomar las decisiones rápidas necesarias para la conducción autónoma (Figura 1).

Figura 1: El procesador de un ADAS/ADS necesita una alimentación fiable de bajo voltaje a altos niveles de corriente, suministrada por un PMIC para controlar el vehículo basándose en las entradas de los sensores. (Fuente de la imagen: EPCOS-TDK)

El voltaje del carril de alimentación de estos procesadores suele ser bajo, de aproximadamente 1 voltio, pero los niveles de corriente pueden ser de decenas de amperios, lo que somete a estrés al PMIC. El convertidor secundario de la figura 1 utiliza ocho inductores de potencia con el PMIC para suministrar energía al procesador.

Los inductores de potencia son dispositivos pasivos que almacenan energía en sus campos electromagnéticos y se utilizan ampliamente en circuitos de fuente de alimentación y convertidores de CC/CC. Utilizados con el PMIC como convertidores reductores o buck, los inductores de potencia son componentes clave que afectan al rendimiento del proceso de conversión de potencia (Figura 2).

Figura 2: Un esquema simplificado de un convertidor reductor simple pone de relieve el papel del inductor de potencia. (Fuente de la imagen: EPCOS-TDK)

Un convertidor reductor produce un voltaje de salida inferior al de entrada. En un convertidor reductor, se coloca un interruptor en serie con la fuente de voltaje de entrada (V_IN). La fuente de entrada alimenta la salida a través del interruptor y un filtro de paso bajo. El filtro se implementa con un inductor de potencia y un condensador de salida. En un estado de funcionamiento estable, cuando el interruptor está encendido durante un periodo de T_ON, la entrada acciona la salida, así como el inductor de potencia. Durante este periodo T_ON , la diferencia de niveles de tensión entre V_IN y la tensión de salida (V_OUT) se aplica al inductor en dirección de avance, como muestra la flecha de "encendido". La corriente inductora (I_L) aumenta linealmente hasta l_pico.

Cuando el interruptor está apagado (T_OFF), la corriente del inductor sigue fluyendo en la misma dirección debido a que la energía almacenada en el inductor sigue suministrando corriente a la carga a través del diodo de conmutación, como ilustra la flecha de "apagado". Durante este período T_OFF, el inductor tiene la tensión de salida V_OUT aplicada a través de él en la dirección inversa, y la corriente del inductor disminuye desde el valor l_pico. El resultado es una corriente de ondulación triangular. La magnitud de la corriente de ondulación está relacionada con la inductancia del inductor de potencia. Por lo general, el valor de la inductancia se ajusta para obtener una corriente de ondulación del 20-30% de la corriente de salida nominal. El voltaje de salida será proporcional al ciclo de trabajo o útil del interruptor.

Si la carga aumenta repentinamente, se producirá una caída de la tensión de salida, lo que provocará un pico de corriente anormalmente grande a través del inductor de potencia durante un breve periodo de tiempo para cargar el condensador de salida. El valor del inductor de potencia afecta a la respuesta de transiente del convertidor: los valores pequeños del inductor aceleran el tiempo de recuperación y los valores grandes lo aumentan.

En el entorno del vehículo, estos inductores deben cumplir normas eléctricas y mecánicas muy estrictas. La principal es la alta fiabilidad. La fiabilidad y calidad de los componentes pasivos destinados a funcionar en vehículos se califican con arreglo a las normas establecidas por el Consejo de Electrónica del Automóvil (AEC). Los componentes pasivos están calificados según la norma AEC-Q200, la norma mundial de resistencia a la tensión que deben cumplir todos los componentes electrónicos pasivos destinados a la industria automotriz. Las pruebas incluyen resistencia a golpes, vibraciones, humedad, disolventes, calor de soldadura, flexión de la placa y descargas electrostáticas (ESD). Los ensayos también incluyen pruebas de temperatura de -40 °C a +125 °C, con exposición a temperaturas extremas y ciclos térmicos.

Para las aplicaciones automotrices, los inductores deben tener unas dimensiones compactas y ser capaces de funcionar en el rango de temperatura previsto para el automóvil. Esta última capacidad requiere una baja resistencia en serie para minimizar la pérdida de potencia y reducir al mínimo el aumento de temperatura. Los inductores también deben poder funcionar a las frecuencias de conmutación de potencia en el rango de 2 a 10 MHz que suelen utilizar los PMIC, y también ser capaces de manejar cargas transitorias elevadas con la posibilidad de corrientes de saturación altas.

Inductores de potencia diseñados para aplicaciones automotrices

Los inductores de potencia de la serie CLT32 de EPCOS-TDK están diseñados para aplicaciones ADAS/ADS y se caracterizan por su alta fiabilidad, altos valores nominales de corriente, baja resistencia en serie, altas corrientes de saturación y tamaño reducido (Figura 3).

Figura 3: Los inductores de potencia de la serie TDK CLT32 presentan una estructura de bobina/terminales de una sola pieza que utiliza un grueso bobinado de cobre sin conexiones internas. El material de moldeo magnético garantiza una característica de saturación suave. (Fuente de la imagen: EPCOS-TDK)

Los inductores de potencia CLT32 están formados alrededor de una bobina de cobre grueso de una sola pieza con una estructura de terminales integral. Esto significa que no hay conexiones internas que provoquen un funcionamiento poco fiable. La gruesa bobina de cobre también mantiene la resistencia en serie en tan sólo 0,39 miliohmios (mΩ) para minimizar las pérdidas de potencia. La menor resistencia también se traduce en un menor calor generado bajo carga.

La bobina está sobremoldeada con un compuesto plástico ferromagnético de nuevo desarrollo que forma tanto el núcleo como el receptáculo exterior de la bobina. El material del núcleo tiene excelentes características eléctricas, incluso a altas temperaturas y en aplicaciones de alta frecuencia. Cabe destacar las bajas pérdidas en el núcleo. Además, la capacidad del material para procesarse a baja presión y baja temperatura minimiza la tensión en la bobina durante la producción.

El material del núcleo proporciona una característica de saturación suave en comparación con los materiales de ferrita alternativos. El cambio en la inductancia como resultado de la saturación magnética se expresa como deriva de saturación, medida como el cambio porcentual en la inductancia (Figura 4).

Figura 4: En respuesta a la saturación magnética, el núcleo CLT32 muestra una baja deriva de saturación, lo que proporciona una respuesta suave. (Fuente de la imagen: EPCOS-TDK)

El material del núcleo CLT32 proporciona un cambio notablemente menor en el valor de inductancia debido a la saturación, especialmente a temperaturas más altas. Ofrecen corrientes de saturación máximas de hasta 60 A.

Todo el inductor cabe en un encapsulado de bajo perfil que mide 3,2 por 2,5 por 2,5 milímetros (mm). Esta elevada eficiencia volumétrica permite utilizar varios inductores sin tener que trasladar el diseño a una placa de CI más grande. Los inductores están diseñados para funcionar en un rango de temperaturas de -40°C a +165°C. Este rango de temperatura supera los requisitos de la temperatura máxima de prueba AEC-Q200 de 125°C, mencionada anteriormente.

Los inductores de potencia TDK CLT32 están disponibles en valores de inductancia de 17 a 440 nanohenrios (nH), como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1: Se muestran las características especificadas de los inductores de potencia TDK CLT32 y su correspondiente código de pedido. Todos caben en el mismo encapsulado de bajo perfil de 3,2 por 2,5 por 2,5 por 2,5 mm. (Fuente de la tabla: EPCOS-TDK)

Según la tabla, R_CC es la resistencia en serie del inductor. Obsérvese que aumenta con el valor de la inductancia debido al mayor número de giros necesario para una inductancia mayor. I_SAT es la corriente de saturación basada en la reducción del valor de inductancia debido a la saturación, que escala inversamente con la inductancia. I_temp es la corriente nominal máxima, basada en el aumento de temperatura del envase. I_temp también escala inversamente con el valor de la inductancia.

Las pérdidas en un inductor de potencia incluyen las pérdidas de CC proporcionales a la resistencia en serie de la bobina. También hay pérdidas de CA debidas al efecto piel, la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes de Foucault. Las pérdidas por corrientes de Foucault en CA están relacionadas con el material del núcleo.

En comparación con otras tecnologías alternativas, como los inductores de película delgada o los compuestos metálicos, los inductores CLT32 presentan menores pérdidas de potencia por corriente de ondulación (Figura 5).

Figura 5: Los inductores de potencia CLT32 tienen menores pérdidas de potencia en corriente de ondulación que las tecnologías de inductores de película fina o compuestos metálicos. (Fuente de la imagen: EPCOS-TDK)

Las bajas pérdidas por ondulación de CA permiten tolerar mayores corrientes de ondulación, lo que permite reducir los valores de capacitancia en los convertidores de CC/CC.

Las menores pérdidas también se traducen en una mayor eficiencia en comparación con otros tipos de inductores (Figura 6).

Figura 6: Comparación del rendimiento de los inductores de potencia en un convertidor reductor de salida única muestra el mayor rendimiento de los inductores de potencia CLT32. (Fuente de la imagen: EPCOS-TDK)

Bajo cargas ligeras, las pérdidas en el núcleo dominan la eficiencia de los inductores de potencia. Una mayor carga reduce la eficiencia debido a las pérdidas resistivas. En todos los casos, los inductores de potencia CLT32 son mejores que las tecnologías alternativas.

Conclusión:

Los innovadores conceptos de diseño incorporados en los inductores de potencia de la serie TDK CLT32 ofrecen tamaños más pequeños y mejores prestaciones eléctricas que las tecnologías de la competencia, al tiempo que garantizan una alta fiabilidad. Su amplio rango de temperatura y su amplia gama de frecuencias los convierten en componentes ideales para su uso en diseños ADAS/ADS de nueva generación.