Use el regulador de CC/CC apropiado para cumplir con los requisitos avanzados de ADAS

La proliferación de sistemas avanzados de asistencia a la conducción (ADAS) y el infoentretenimiento en cabina han convertido a los vehículos en sistemas electrónicos complejos sobre ruedas que requieren vías de CC multinivel y libres de ruido. Sin embargo, la batería típica de los vehículos está lejos de ser estable en todo el entorno operacional y requiere que los diseñadores le presten especial atención al diseño del sistema de alimentación.

La gama de sistemas ADAS incluye control de la velocidad de crucero autoadaptable, prevención de colisiones, GPS, cámaras de retroceso, advertencia de cambio de carril, control de estabilidad y conectividad, al tiempo que el infoentretenimiento incluye pantallas y reproductores multimedia. Regular la alimentación de CC para estas funciones desde la batería de 12 voltios del automóvil (e incluso 24 o 48 voltios en algunos casos) es un desafío debido a la interferencia de salida de la batería, los picos de voltaje, las oscilaciones momentáneas de carga, los extremos y ciclos térmicos, por medio de circuitos electrónicos en ubicaciones reducidas y a alta temperatura que deben resistir vibraciones e impactos.

Además, los circuitos integrados (IC) del conversor de CC/CC que regulan la salida de la batería para proveer las múltiples vías de CC necesarias para las varias funciones de los ADAS deben operar en condiciones eléctricas y ambientales hostiles. También deben proporcionar regulación precisa con alta eficiencia, con corrientes en reposo bajas y mínima generación de interferencia electromagnética (EMI).

Este artículo describirá el entorno y las condiciones de operación, e introducirá las normas automotrices desarrolladas para ayudar a mitigar los problemas. Luego, describirá los reguladores de alimentación y los conversores de CC/CC que ayudarán a cumplir con los requisitos de distribución de alimentación automotriz y cómo utilizarlos.

Debajo del capó no es un lindo lugar

El automóvil es un entorno desafiante y hostil para la electrónica (y para los componentes mecánicos también) en relación con cuatro áreas: eléctrica, térmica, golpes/vibración y espacio disponible. En resumen:

Eléctrica: La vía no acondicionada de la batería no es una fuente estable y simple de corriente de CC como lo es en la mayoría de las baterías. En cambio, está sujeta a caídas de voltaje en arranques en frío (Figura 1), picos de alto voltaje por “caídas de carga” (cuando la carga conectada al alternador se desconecta repentinamente) (Figura 2 y Tabla 1) y ruido y EMI/interferencia de radiofrecuencia (RFI).

Figura 1: El perfil típico de voltaje de batería en condiciones de arranque en frío tiene poca relación con el de la salida de la batería en aplicaciones más benignas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Figura 2: El pulso típico de oscilaciones momentáneas de carga se caracteriza por una elevación rápida, una caída más lenta y tiempos variables. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Parámetro Sistema de 12 V Sistema de 24 V U8 65 V a 87 V 123 V a 174 V Rj 0.5 Ω a 4 Ω 1 Ω a 8 Ω td 40 ms a 400 ms 100 ms a 350 ms tr

Tabla 1: Los valores típicos de un pulso de oscilación momentánea de carga no suprimida (aquí, definida por ISO7637-2:2004[1]-5) para un sistema a batería de 12 voltios o 24 voltios. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Por lo tanto, los reguladores de CC/CC locales deben tratar con estas realidades, funcionar en un amplio voltaje de entrada (V_IN) y tolerar una conexión de polaridad inversa de la batería. Además, estos reguladores deben tener una corriente en reposo muy baja para minimizar el consumo de la batería cuando el automóvil está supuestamente “apagado”.

El motivo es que muchas de estas funciones de los ADAS (y otras) no están desconectadas físicamente de la batería, pero usan encendido y apagado latente y, por lo tanto, están en estado de reposo cuando están “apagadas”. Además, la llamada “alimentación vampiro” que disipan puede consumir la batería si el automóvil no se usa por semanas.

Térmica: Las temperaturas debajo del capó pueden variar desde bajo cero (estacionado en inverno) hasta muy por encima de los 150 °C a 200 °C, de acuerdo con las condiciones de operación y la ubicación de la sonda (Figura 3). Si bien otras áreas del automóvil, como la cabina, no se calientan tanto, también pueden sufrir temperaturas altas si está estacionado al sol. Cuando las temperaturas en el exterior varían entre 25 °C (77 °F) y 40 °C (104 °F), la temperatura dentro del auto estacionado directamente bajo el sol puede alcanzar temperaturas entre 50 °C (122 °F) y 75 °C (167 °F).

Figura 3: La temperatura de un vehículo Chevrolet Silverado medida en distintas ubicaciones subiendo una colina a 40 mph; en muchos lugares, superó los 150 °C. (Fuente de la imagen: Pelican Parts)

Golpes/vibración: Los golpes y la vibración mecánicos son una presencia constante; un análisis mecánico básico muestra que los componentes más pequeños o livianos son menos susceptibles de ser afectados por estas perturbaciones, y también son más fáciles de mitigar y amortiguar para el impacto, en caso de ser necesario. Además, dichos componentes resultan en plaquetas de circuitos más pequeñas, que tienen las virtudes correspondientes.

Tamaño: El tamaño pequeño tiene otro beneficio importante, que no está relacionado con los aspectos de los golpes/la vibración. Dado el “envoltorio” físico fijo del automóvil como envolvente, es un desafío encontrar espacios donde ubicar los circuitos de funcionamiento del ADAS y, en muchos casos, sus sensores asociados. Si bien algunos de estos circuitos se pueden ubicar en casi cualquier espacio vacío, muchos de los sensores y circuitos de acondicionamiento de presentación del ADAS deben estar ubicados en lugares específicos, incluso si la electrónica de soporte se puede ubicar en otro lado.

Las normas automotrices definen el desafío

Los automóviles tienen tres fuentes de alimentación principales: eléctrica (EV), EV híbrida (HEV) y, por supuesto, el motor de combustión interno. También existe en una amplia variedad de tamaños, estilos, capacidades y puntos de costo. La industria ha definido las normas para los niveles de riesgo y desempeño para componentes electrónicos, software y subsistemas. Al clasificar los circuitos integrados básicos (IC) en varios niveles, los diseñadores saben que obtienen bloques de construcción que se pueden usar para “construir” plaquetas de circuitos, montajes, subsistemas y funciones completas con un desempeño determinado.

La norma dominante para esta capacidad de definir el desempeño es el esquema de Nivel de Integridad de Seguridad Automotriz (ASIL), una clasificación de riesgos multinivel definida por la ISO 26262, la norma de Seguridad Funcional para Vehículos de Carretera. En el nivel superior, se encuentra ASIL-D, que representa el grado más alto de peligro automotriz, que, por lo tanto, requiere el nivel de cumplimiento de requisitos de seguridad más alto (Figura 4). En orden descendente, debajo de la clasificación del nivel superior ASIL-D, se encuentran los niveles -C, -B y -A, que definen grados de peligrosidad y garantías de cumplimiento intermedios, y concluye con ASIL-QM para aplicaciones que no representan riesgo automotriz y, por lo tanto, no deben gestionar requisitos de seguridad (la radio, por ejemplo).

Figura 4: Desde ASIL-D hasta ASIL-A clasifican las funciones automotrices en términos de criticidad para la seguridad, la operación y el control del vehículo, entre otros factores; ASIL-D es la más rigurosa. (Fuente de la imagen: Mentor Graphics)

Los proveedores de componentes diseñados para funciones de ADAS, incluidos los reguladores de CC/CC, evalúan sus dispositivos y certifican que cumplen y exceden los niveles específicos de requisitos de desempeño de ASIL. Estos incluyen, entre otros, la temperatura, la vibración y los modos de falla.

Otra norma relevante, AEC-Q100, es un conjunto de secuencias de prueba de calificación para IC desarrollado por el Automotive Electronics Council (AEC). Establece normas para la calificación de partes y sistemas de calidad para productos nuevos y actualizados. AEC-Q100 también establece las clasificaciones de temperatura con clases de designación de grados definidas para los componentes; el grado 0 es la clasificación más amplia (Tabla 2).

Tabla 2: Las clasificaciones de AEC-Q100 para temperatura establecen rangos de operación básicos, con los sufijos correspondientes. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor Corp.)

Reguladores de CC/CC que abordan los requisitos de los ADAS

Los requisitos desafiantes de las funciones de los ADAS requieren IC, incluidos reguladores de CC/CC, que aborden las demandas de esta aplicación en relación con las consideraciones eléctricas, térmicas y de tamaño. Estos componentes buscan cumplir múltiples objetivos de ASIL (si no todos) relacionados con los aspectos eléctricos, térmicos, de golpes/vibración y de espacio disponible.

Por ejemplo, el MAX16930 de Maxim Integrated es un regulador de CC/CC de 36 voltios que utiliza solo 20 microamperes (µA) de corriente en reposo (Figura 5). Este dispositivo conmutado de salida triple automotriz integra dos controladores reductores sincrónicos y un controlador “preincremento” de aumento asincrónico, y provee hasta tres vías de alimentación controladas independientemente: un preincremento con salida de voltaje ajustable; un reductor con salida fija de 5 voltios o salida ajustable de 1 a 10 voltios; y un reductor con salida fija de 3.3 voltios o salida ajustable de 1 a 10 voltios.

Figura 5: La función de preincremento del reductor con salida múltiple MAX16930 le permite operar durante períodos de arranque en frío, cuando el voltaje de la batería desciende a valores de un solo dígito (amarillo). (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

El MAX16930 opera desde una amplia gama de vías de alimentación de 3.5 voltios a 36 voltios, mientras que el preincremento extiende la operación a 2 voltios (en modo de arranque), necesarios para el desempeño de arranque en frío (Figura 5, nuevamente). Los reductores y el preincremento pueden proporcionar hasta 10 amperes de corriente de salida cada uno y se pueden controlar independientemente. La frecuencia conmutada ajustable por el usuario, de 200 kHz hasta 2.2 MHz y con una operación de amplio espectro opcional, garantiza que no haya interferencia de banda AM.

El MAX16930 incluye la opción de configuración de relojes, lo que le permite a los diseñadores minimizar los problemas relacionados con la interferencia por relojes de los IC, así como las frecuencias de resonancia que resultan de la combinación entre relojes de varios sistemas. Los usuarios deben elegir entre tres modos de función de frecuencia:

1. Operación de frecuencia básica fija, en una frecuencia definida por el usuario.
2. Modo de omisión, que inhabilita el reloj cuando la carga es liviana y se invoca según sea necesario para mantener la regulación del voltaje de salida.
3. Sincronización a reloj externo. El IC se puede cambiar entre estos modos “al vuelo”, pero eso requiere más software para la gestión del IC.

Otra opción que ofrece este IC es invocar el uso de reloj de amplio espectro para minimizar las EMI emitidas por el reloj que ocurren en una sola frecuencia mediante la interpolación aleatoria del reloj en torno a un valor de frecuencia nominal; la energía EMI indeseada se esparce por un espectro más amplio, pero con menor amplitud de pico en cualquier frecuencia única.

Los usuarios también deben decidir durante la fase de diseño del sistema el “valor” del regulador lineal interno (LDO), que puede pasarse por alto al conectarlo con una vía externa.

Por un lado, la salida del LDO es ultrasilenciosa y útil para alimentar una carga localizada y pequeña que necesita el menor ruido de vía posible; por otro lado, es menos eficiente que los reguladores conmutados dentro del MAX16930.

Para abordar el espacio, una técnica común es incrementar el número de salidas distintivas desde un único IC. El LT8603 de Analog Devices es un dispositivo de salida cuádruple que combina dos reductores conmutados de alto voltaje de entrada, un regulador reductor de bajo voltaje de entrada, y un controlador de incremento, todo en un paquete de 6 X 6 mm.

Con el controlador de incremento configurado para alimentar la alimentación V_IN, el IC desarrolla tres salidas reguladas incluso cuando el incremento de voltaje de ingreso se encuentra por debajo de los voltajes de salida regulados, como puede ser durante situaciones de arranque en frío (Figura 6).

Figura 6: El LT8603 se puede configurar para operar de acuerdo con especificaciones y proporcionar salida de CC completa a pesar de las condiciones de arranque en frío. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

EL IC opera con vías de alimentación de hasta 42 voltios, y cambia en las frecuencias seleccionadas por el usuario que varían entre los 250 kHz y los 2.2 MHz para minimizar la EMI. La EMI irradiada (para la Prueba de emisión radioeléctrica con límite de picos clase 5 CISPR 25) se encuentra debajo de los límites permitidos (segmentos horizontales cortos) (Figura 7).

Figura 7: La EMI irradiada por LT8603 para pruebas de emisión radioeléctrica con límites de pico clase 5 de CISPR 25 que utilizan una alimentación de 14 voltios y cambian en 2 MHz muestran que sus emisiones se encuentran muy por debajo de los límites permitidos (segmentos horizontales cortos). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los cuatro canales para este IC están alimentados independientemente, y los diseñadores deben decidir de qué manera conectarlos para cumplir con los objetivos del sistema y el circuito. Por ejemplo, la salida de incremento se puede configurar para proporcionar el voltaje de entrada a los reductores, que entregan tres salidas estrictamente reguladas, incluso si el incremento de voltaje de entrada se encuentra por debajo de las salidas reducidas reguladas, como es probable que ocurra durante una situación de arranque en frío. Sin embargo, en su lugar, el controlador de modo de incremento se puede alimentar de una salida de reductor o configurar como un conversor SEPIC, en cuyo caso el IC provee hasta cuatro salidas reguladas precisamente.

El rango de frecuencia de conmutación de los cuatro canales es otro factor que los diseñadores deben determinar; esto se debe realizar antes de seleccionar la frecuencia del oscilador, que se puede configurar mediante un resistor único de 250 kHz a 2.2 MHz. Las frecuencias más bajas generalmente ofrecen mejor eficiencia y un rango de operación de voltaje de entrada más amplio debido a pérdidas de conmutación y menor sensibilidad a las restricciones de tiempo, como tiempos mínimos de encendido y apagado.

Sin embargo, las frecuencias de conmutación más altas permiten el uso de componentes más pequeños y alejan el ruido relacionado con la conmutación de las bandas de frecuencia sensibles, como la radio AM. La desventaja es la eficiencia reducida.

Alimentación de sensores de ADAS de alto desempeño

Existen algunas funciones de ADAS con sensores de presentación de alto desempeño y, por lo tanto, requieren menos interferencia o respuesta a oscilaciones más rápidas que las que pueden proporcionar la mayoría de los reductores conmutados. El regulador lineal de caída baja MAX15027 de Maxim (con calificación Grado-1 de AEC-100) está diseñado para estas situaciones. Opera con voltajes de entrada tan bajos como 1.425 voltios y entrega hasta 1 amperio de corriente continua de salida con un voltaje de caída máximo de solo 225 milivoltios (mV). Su banda ancha amplia soporta una respuesta rápida a oscilaciones, lo que limita la desviación del voltaje de salida a 15 mV con un paso de carga de 500 mA, y utiliza solo un capacitor cerámico de 4.7 microfaradios (μF) en la salida.

Algunas precauciones para el desempeño óptimo de LDO

Si bien el MAX15027 es un LDO, y es una de las topologías de regulador de alimentación más simples de usar, son necesarias algunas precauciones. Primero, tanto el capacitor cerámico de entrada de 1 μF como el capacitor cerámico de salida deben ser de alta calidad, con una resistencia en serie equivalente (ESR) baja en el rango de los miliohmios; si la ESR se encuentra en la gama de los ohm o es mayor, la línea y la respuesta a las oscilaciones momentáneas de carga del LDO se verán comprometidas, y pueden haber problemas con la estabilidad de bucle del LDO interna y posible autooscilación.

Segundo, el diseño de la plaqueta de circuito impreso debe adaptarse a preocupaciones de disipación del calor y térmicas, dado que los LDO tienen un radio de disipación a su tamaño de paquete relativamente alto en comparación con los reguladores conmutados. Por este motivo, el paquete TDFN del MAX15027 tiene una almohadilla térmica expuesta en su lado inferior para asegurar un camino de resistencia térmica baja hacia la placa de CI. Este camino aleja la mayoría del calor del IC, lo que permite que la placa de CI sea un disipador térmico efectivo. La placa descubierta debería estar conectada a una placa grande a tierra para un mejor desempeño térmico y eléctrico.

Sin embargo, ese enfoque considerado de manera aislada es necesario, pero no suficiente. El uso del modelado térmico es crítico para garantizar que los IC cercanos y otros componentes no asuman también que pueden utilizar la misma capa de cobre de la placa de CI para sus propias necesidades de disipación térmica, lo que haría que la carga térmica exceda lo que la estrategia de enfriamiento elegida puede proporcionar.

Esta estrategia generalmente comienza con la conducción térmica lejos del IC a través de la almohadilla y hacia la capa de la placa de CI, seguido en la mayoría de los casos por convección en un disipador térmico o un panel de frío ubicados remotamente. Tal “agrupación” de fuentes térmicas puede neutralizar el plan de enfriamiento básico, que comienza en la almohadilla térmica del lado inferior del IC.

Conclusión

El uso de ADAS e infoentretenimiento implica que se deben abordar sus necesidades de alimentación de CC únicas y generalmente desafiantes. Esto está motivando el desarrollo y la disponibilidad de IC y otros componentes que pueden funcionar a pesar de los extremos de temperatura y el rango de voltaje de vías de entrada de CC, al mismo tiempo que tienen poco consumo de corriente en reposo. Estos IC también deben ser pequeños para reducir su sensibilidad a la vibración y los golpes, lo que afortunadamente también admite diseños de circuitos de funciones de ADAS compactos.

Los proveedores de reguladores de alimentación ahora ofrecen una amplia gama de dispositivos conmutados optimizados de ADAS, y dispositivos LDO de CC/CC que cumplen las normas restrictivas de la industria, facilitando el desafío de diseño y simplificando las decisiones de lista de materiales (BOM).