Електроника за автомобилостроенето

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 3/2016 • 18.05.2016

Електроника за автомобилостроенето
Електроника за автомобилостроенето

Стефан Куцаров

Използването на електронни системи в автомобилите е с повече от 50-годишна история, но през последното десетилетие то придоби внушителни мащаби и с основание се наложи терминът автомобилна електроника. Благодарение на нея, към подобряването на основните параметри на автомобилите (работа на двигателя, разход на гориво, сигурност на движението) се прибави втора група – за по-добър комфорт на пътуващите, осигуряване на развлечения и комуникационни възможности.

За мащабите на автомобилната електроника е достатъчно да се спомене, че през 2016 г. се очаква произведените за нея интегрални схеми (ИС) да са на стойност около 28 милиарда USD. Сравнително тежките условия за работа на автомобилната електроника налагат по-високи изисквания към ползваните в нея електронни елементи, възли и устройства, за които са в сила специфичните стандарти AEC-Q100, ISO 26262 и TS 16949.

Същевременно, все повече производители на електронни прибори предлагат допълнителни разновидности на своите компоненти в съответствие с първия стандарт, а в каталозите им присъства специализиран раздел за тях. През 2010 г. автомобилната електроника е била около 30% от цената на произвежданите автомобили, а за 2030 г. се очаква тя да достигне 50%.

Увеличаването на дела на електрониката в системите на автомобила вече влиза в противоречие с максималната осигурявана мощност (около 3 kW) от 12-волтовите оловни акумулатори и затова се очаква преминаването към 48-волтови бордови ел. системи, които ще осигуряват мощност до 10 kW при аналогичен и по-малък диаметър на захранващите кабели. Първите изделия на автомобилната електроника с работно напрежение до 48 V са вече на пазара.

Двигател
В този раздел се дават сведения за автомобилната електроника, необходима за работата на алтернатора в автомобили с двигатели с вътрешно горене, за контрол на акумулатора, на нивото на горивото в резервоара, на течностите в други системи.

Предназначението на алтернаторите е да осигуряват по време на движение на автомобила постоянно напрежение за зареждане на акумулатора и работата на всички консуматори на електроенергия. За нормалното им функциониране в съвременните автомобили се ползват ИС, пример за каквато е CR719 на Bosch с външен вид на фиг. 1а. Алтернаторът, заедно с трифазен мостов токоизправител, осигурява постоянното напрежение, което захранва ИС чрез прилагането му между изводи 4 и 8. За следене на работата на алтернатора са предвидени изводи 1, 6 и 7, към 2 се свързва контролна лампа, а 3 и 5 не се използват.

За осигуряване на максимално дълъг експлоатационен срок на акумулатора се ползват специализирани ИС (Intelligent Battery Sensor) за непрекъснато измерване на напрежението му, консумирания от него ток и температурата му, като същевременно се оценява наличното количество електричество (State of Charge) и състоянието му (State of Function). Примери са ZSSC1956 на компанията ZMDI (вече част от IDT) и ADuC7036 на Analog Devices, предназначени за 12-волтови акумулатори. За контрол на работата на акумулатори с напрежение до 80 V е предназначена ИС LT2940 на Linear Technology, която измерва тока и доставяната от него мощност при зареждане и разреждане. Същият производител предлага и ИС LTC2944 за контрол само на зареждането на акумулатори до 60 V, като измерва напрежението, тока и температурата им заедно с наличното количество електричество (Coulomb Counting).

Предпазването от повреда на свързаните към електрическата система на автомобила прибори от грешно присъединяване на акумулатора (размяна на полярността - Reverse Battery Protection) се осъществява от модули, поставяни във веригата между тях. Такъв е РМР9498 (фиг. 1б) на Texas Instruments, който има поведение на прекъсната верига при обратно свързване и при напрежение и ток на акумулатора над определена стойност.

Освен контрола на наличното количество гориво, за нормалната работа на други системи (спирачна, охладителна) е необходимо постоянно следене на нивото на течността в техните резервоари. То се осигурява от сензори за ниво (Liquid Level Sensor), типични представители на които са приборите, 

произвеждани от Standex Meder. Основният принцип на действието им е изяснен на фиг. 1в – по вертикален пластмасов прът (с дължина обикновено 10-25 cm) течността движи постоянен магнит, който задейства най-близкия рид-контакт (нормално отворен, нормално затворен или превключващ) и отчита съответното ниво.

Максималният ток на контактите обикновено е до няколко ампера, а максимално допустимата температура на течността в някои модели (например LS05) достига 200 °С. Подобна е LLN Series на Honeywell, която удовлетворява изискванията на IP67 и включва защити от напрежение над определена стойност и смяна на поляритета му. За контрол на нивото на течността за спирачките обикновено са достатъчни два контакта (КSS Series на Standex Meder) за минималното и максималното й ниво.
При управление на работата на помпите за впръскване на гориво се ползват сензори за налягане (Pressure Sensor), каквито са HSC Series и SSC Series на Honeywell, позволяващи измерване на твърде малки налягания.

Каросерия
Сред свързаните с нея приложения на електрониката са функционирането на вратите, системите за охрана и външното осветление.

Врати. Идея за структурата на електронния им блок е дадена на фиг. 2. Управлението се осъществява чрез контролера Contr, представляващ самостоятелна ИС, например ST72F561 на STMicroelectronics. На нея се подават сигнали от бутоните на командното табло (Keyboard) KB за движение на прозорците на двете предни врати, заключването им и завъртане на огледалата за обратно виждане, като всяка от тези функции се осъществява с един или два постояннотокови електродвигателя в блока МС, задействани от вградената в него ИС L9950. Блокът обикновено задейства и различни лампи, например при отваряне на врата и за осветяване на стъпало.

Контролерът допълнително може да включва нагревател за отстраняване на заледяването на стъклата, а с LIN е означена неговата връзка с бордовия компютър чрез допълнителна ИС L9638.

Системи за охрана. Най-често използвани са два типа, първият от които се задейства при механично въздействие върху колата и включва звукова и светлинна аларма, и евентуално изпращане на съобщение до собственика. Ефективен начин за осъществяването й е чрез ИС на акселерометър, който дава електрически сигнал при извеждане на колата от неподвижното й състояние. Сред подходящите примери за такъв е ADXL313 на Analog Devices, който реагира при отклоняване в произволна посока. Вторият тип позволява достъп до колата само чрез дистанционно устройство (Key Fob), съдържащо точно определен код (двоично число, обикновено 128b).

Класическата разновидност е задействане чрез натискане на бутони на дистанционното (Remote Key Entry). Връзката между него и колата може да е еднопосочна или двупосочна, а за реализацията й Silicon Labs произвежда ИС Si4010 (предавател в дистанционното), Si1000 (приемо-предавател с микроконтролер в колата) и множество други. С аналогично приложение е Car Access Product Family на Texas Instruments, включваща 16 ИС.

Сред тях е драйверът TPIC84125-Q1 за захранване на предавателните антени, създаващи електромагнитно поле (честота 125 kHz) във и около колата, приемо-предавателят CC1101QRHBRG4Q1 за връзка дистанционно - автомобил в един от честотните обхвати 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz и 915 MHz, RF430F5978, съчетаваща възможностите на предните две и приемо-предавателят CC2541-Q1 за обхвата на Bluetooth (2,4 GHz) с вграден микроконтролер.

Още по-висок комфорт при ползването носят системите от втория тип с наименование PEPS (от Passive Entry Passive Start), които не изискват при работата си физически контакт на ползвателя с дистанционното (достатъчно е то да се носи в джоба или чантата). Действието им се основава на наличието на споменатото поле във и около колата (реално то е налично до 2-3 m), създавано от предавател и 4-6 антени в нея, и един от типичните примери е системата на Atmel. Тя е с няколко функции и за реализацията й се предлага набор от ИС, като полето се създава от ИС на предавател АТА5972С.

Първата функция е само за отключване на вратите (Passive Entry), като е достатъчно приближаване до колата, при което частта от системата в колата започва да търси дистанционно със своя код и при откриването му те се отключват. Подобно е включването и спирането на двигателя (Passive Start/Stop) – при натискане на необходимия за това бутон в колата системата установява наличие на дистанционно в нея и изпълнява операцията.

За връзка с дистанционното на разстояние до 30 m се използва високочестотно електромагнитно поле със споменатите честоти, създавано от ИС АТА5831. Добре познатият стремеж за свеждане до минимум на постояннотоковата консумация на приборите с батерийно захранване не отминава дистанционните на PEPS. Нормалният им режим е на “очакване” (Sleep Mode) с нищожна консумация и те се активират (Key Fob Wake-Up) само при наличие на нискочестотно поле. Друга съществена особеност е определяне на местоположението на дистанционното (Key Fob Location) спрямо това на колата (в нея и отвън на определено разстояние). Това се осъществява, като дистанционното измерва интензитета на нискочестотното поле и изпраща резултата към съответния блок на частта от системата в колата.

Външно светодиодно осветление (Exterior LED Lighting). От многобройните предимства на светодиодите две са особено съществени за автомобилите - дългият експлоатационен срок (над 10 пъти по-голям от този на източниците с нажежаема нишка) и голямата издръжливост на вибрации, увеличаваща експлоатационната сигурност. Първите им приложения бяха за мигачи, стопове и габарити, но появилите се преди няколко години мощни LED с достатъчно голям интензитет на излъчваната светлина (High Brightness LED) HBLED вече позволяват и реализацията на фарове (Headlight).

Според принципа на работа интензитетът на светлината им е правопропорционален на протичащия през тях постоянен ток, което позволява чрез електронно управление автоматично да се регулира силата на светлината на фаровете в зависимост от околното осветление и наличието на насрещно движение – това е добиващото все по-голяма популярност адаптивно предно осветление (Adaptive Front Lighting) AFL. Малката излъчваща площ на LED (до няколко mm2) налага лампите да са със значителен техен брой, без да е задължително всички да светят едновременно.

По този начин посоката на лъча на фаровете може да се променя – “къси” (Low Beam) и “дълги” (High Beam) светлини, а при завиване винаги да е насочен пред колата. Към това трябва да се прибави, че светлината на фаровете е максимално близка до дневната, което намалява умората на водача при нощно каране, а тази за дневните светлини (DRL) е със студен бял цвят за по-лесно забелязване от останалите участници в движението.

Структурата на системата за външно осветление е показана на фиг. 3, като за простота тя е само за късите, дългите и дневните светлини. За всяка от тях има отделен захранващ блок (LED Supply), свързан към акумулатора VBAT. Управлението (включване, изключване и регулиране на интензитета на светлината) се извършва от микроконтролера Contr, който не е специализиран, а има многобройни други приложения – пример са сериите 8-битови PIC12F, PIC16F и PIC18F на Microchip, които осигуряват и възможност за следене на температурата на LED. Използват се и цифрови сигнални контролери като например dsPIC33 на същия производител.

От своя страна, Contr получава необходимите данни от централния контролер (Central Body Controller) CBC, който осигурява работата на останалата електроника за каросерията, част или изцяло на тази за купето, като може да има и други функции в зависимост от модела на автомобила. По същия начин със самостоятелен захранващ блок работят фаровете за мъгла, мигачите и други външни светлини. На фиг. 4 са показани два характерни примера на LED от OSRAM Opto Semiconductor - фиг. 4а е такъв за фарове с пет LED и захранващ блок, а на фиг. 4б е LA B6SP с кехлибарен цвят за габарити.

Две са основните изисквания към захранващите блокове – токът на LED да не зависи от напрежението на VBAT и да имат малка разсейвана мощност, като последното определя ключовите стабилизатори като единствен принцип за реализация. Поради споменатото очаквано навлизане на 48-волтовите системи значителна част от захранващите блокове работят с максимално напрежение 60–80 V. В зависимост от съотношението на напрежението на VBAT и осигуряваното за работа на LED съществуват разновидностите понижаващи (Buck) с напрежение върху LED под това на акумулатора, повишаващи (Boost) с по-голямо и понижаващо-повишаващи (Buck-Boost) с по-малко или по-голямо напрежение върху LED в зависимост от техния брой.

Блоковете съдържат ИС на драйвер (LED Driver, LED Regulator) и външни елементи, като много производители предлагат готови за ползване модули. Примери за драйвери са LT3791 на Linear Technology за акумулатори с напрежение 4,7–60 V, двойният (за две групи LED) МАХ16838В на Maxim Integrated за 4,75–40 V, четворният МАХ16813 на същия производител, както и LM3406HV-Q1 на Linear Technology за 6 – 75 V, изискващ минимален брой външни елементи.

Купе
Една от основните цели пред електрониката в него е улесняване на водача и подобряване на комфорта на него и пътниците. През последните години интерфейсът “човек-машина” (HMI) разшири класическите си индустриални приложения в посока на бита. Аналогичен процес се наблюдава и в автомобилостроенето чрез създаването на специализирани компютърни системи за водача (Automotive HMI) с постепенното им разширяване и към пътниците, превръщайки автомобила в тяхно временно работно място (подробности по този въпрос могат да бъдат намерени чрез ключовите думи UX Automotive и UI Automotive).

Освен за споменатото вдигане и сваляне на прозорците водачите продължават да ползват механични бутони за регулиране на седалките и други подобни дейности. Описанията на тези бутони обикновено са в раздели Telematics и Telematics Control Units на каталозите и друга литература. Вместо бутони на част от масово използваните дисплеи с докосване (Touch Screen) има съответните символи с прибавена допълнителна информация. Съществуват и многофункционални бутони с комбинирано (механично и с докосване) действие, като част от операциите с докосване са върху самия бутон.

Съвременна разновидност на таблото пред водача с необходимите контролни прибори е прожектираният върху предното стъкло дисплей (Head-Up Display) HUD. Технологията DLP (Digital Light Processing) на Texas Instruments е приложена за реализацията на HUD с опростена структура, показана на фиг. 5. Данните за изписване Data чрез контролера DLP Contr задействат светодиодната матрица LED, която чрез оптичната система Optics прожектира цветното изображение върху дисплея Display.

Нарастващото приложение на дисплеи в автомобилите води до създаването на подходящи ИС. Примери са МАХ9291 и МАХ9293 на Maxim Integrated за предаване на видео, звук и управляващи сигнали с максимална скорост 3,12 Gbps по коаксиални кабели и усукани двойки с дължина не по-малка от 15 m, което позволява и захранване на развлекателната система на задните седалки. Към същия тип прибори (Display IC) спада серията TW88xx на Intersil, като част от нея са видеопроцесорите TW8834 и TW8836 за LCD дисплеи, преобразувателят TW8809 на 24-разреден RGB формат в ITU-R BT.656, контролерът TW8819 за сравнително по-простия дисплей на камерата за обратно виждане и видеодекодерът TW9984.

Прибори с общо предназначение
Използват се във всички електронни устройства на автомобила обикновено без значение за конкретните им функции. Една от големите групи са постояннотоковите захранвания, а вероятно най-голямата им част са понижаващите стабилизатори с преобладаване на ключовите без пренебрегване на ролята на линейните. Няма принципни различия на действието им от тези в класическата електроника, но трябва да се подчертае широкият обхват на входното им напрежение. Съществува огромно количество модели (някои фирми предлагат над 100), поради което тук ще дадем само няколко характерни примера.

Синхронни понижаващи стабилизатори са ISL78206 и специализираният за микроконтролери и процесори ISL78236 на Intersil, LT8640 на Linear Technology с много малки излъчвани смущения и МСР16312 на Microchip, като последният производител предлага и линейния МСР1754. Нараства популярността на ИС с няколко ключови и линейни стабилизатора заедно с такива за захранване на сензори, какъвто е CY325 на Bosch с допълнително вградени интерфейси LIN и CAN за контрол на запалването.

За подобни ИС се ползва и терминът System Basic Chip. Бързо нарастващата сложност на електрониката в автомобилите и свързаното с това увеличаване на физическия й обем налагат вземането на мерки за неговото ограничаване. Принципите са както в класическата електроника основно чрез намаляване на броя на външните елементи към ИС. Характерен пример е стабилизаторът MPG4423 на Monolithic Power System с входно напрежение 4–30 V, изходен ток 3 А, размери 3x3 mm, изискващ само 8 външни елемента.

Друга група са микроконтролерите, като все повече производители предлагат конкретно предназначени за автомобилостроенето прибори с 3 основни насоки – за компютърната, за навигационната система и за арматурното табло. От първата са сериите R-Car Н3 на Renesas, като за навигационната система са R-Car H1, R-Car M1A и R-Car E1, а за таблото - R-Car H2, R-Car M2 и R-Car Е2. Големите предимства на вграждането на интерфейси в микроконтролерите не отминава и автомобилостроенето – от 68-те модела на Silicon Labs ще бъде отбелязан само C8051F546 c I2C, LIN 2.1, SPI и UART.

Широкоразпространените Ethernet и USB бързо навлизат в автомобилите. Типичен пример за разработки в тази област дава Microchip, която предлага контролери (Ethernet Controller), например LAN89530, комутатора (Ethernet Switch) LAN89303 и приемо-предавателя (Ethernet Transceiver) LAN88730. Нуждите в автомобилите определят (засега) като достатъчен Hi-Speed USB 2.0, като Microchip има хъбове (USB82514) и приемо-предаватели (USB83340). Чрез микроконтролери обикновено се извършва и управлението на конзолите за HMI, характерен пример за което е даден на фиг. 6, като се използват 8-битови (например серията PIC18F), 16-битови (dsPIC33F) и 32-битови (PIC32).

Разпространението на капацитивните сензори (не само за екрани) с докосване доведе до създаването на новия клас микроконтролери за тях (Capacitive Sense MCU) като сериите C8051F7xx/8xx/9xx на Silicon Labs. Друга подобна група са ИС за инфрачервени сензори за обекти и за околна светлина (Infrared Proximity Sensor and Ambient Light IC), каквато е серията Si11xx на същия производител.

Кондензаторите са масово използван пасивен елемент – един съвременен автомобил съдържа в своята електроника около 3000 до 5000. За удовлетворяване на тежките експлоатационни условия обикновено се предлагат специализирани автомобилни кондензатори, като един от масовите типове са многослойните керамични (Multilayer Ceramic Capacitor) MLCC. Такива са PE Series и X7R на Samsung Electro-Mechanics за защита на входовете и изходите на устройствата от електростатични разряди и високоволтовата серия Flexiterm на AVX.

За приложение като прехвърлящи са предназначени полиестерните кондензатори Metalized Polyester Capacitor от серия МКТ1820 на Vishay. На същия производител е серията VCAS04A за защита на високочестотни блокове. В инверторите на автомобилите се ползват мощни кондензатори (Power Film Capacitor), позволяващи протичането през тях на променливи токове от десетки и стотици А. Типичен пример е HVC Series на Rubycon.

Все по-важни в съвременните системи за управление стават диодите и MOS транзисторите от SiC главно поради високата им работна температура съчетана с 2,5 пъти по-малкото топлинно съпротивление от това на силиция. Сред типичните са диодът APT30SCD65 (максимален ток 30 А) и транзисторът APT70SM70S (ток 70 А) на Microsemi. Диодите за защита от отскоци на напрежението (TVS Diode) се използват за предпазване на комуникационните мрежи, управляващи блокове, сензори и системи за развлечение. Характерни са сериите SMCJ-HR и SMDJ-HRA на Littlefuse. Използват се и класически предпазители (серия MICR02 на същия производител) с токове 5–30 А за нормална работа на устройствата.

Озвучаването на купето е с почти 100-годишна история (първият автомобил с радиоприемник е модел на Chevrolet от 1922 г.), а днес в него се ползват практически всички постижения на звукотехниката. Пример за ИС на 4-канален усилвател клас D е TAS5414C-Q1 на Texas Instruments, идея за чието свързване е дадена на фиг. 7 (показан е само един от 4-те канала с неговия вход IN1 и изход OUT1). Високоговорителят е свързан през задължителния за този клас LC-филтър, а управлението се извършва от съответния микропроцесор uP на автомобила и интерфейса I2C.

 



ЕКСКЛУЗИВНО

Top