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Connected Car | aktive Bauelemente 18 Elektronik automotive 02 2020 tungsschalter integrieren stellen für Automobil-Anwendungen interessante Alternativen dar Traditionsbewusste Automobilbranche Seit 1974 liefert Toshiba zuverlässig Analog-Halbleiter in die Automobil-Branche Erste Leistungshalbleiter wurden in Wischermotoren Kombiinstrumenten Blinkern und Türmodulen eingesetzt Die ersten Anwendungen basierten damals auf Bipolartechnologie Der Umstieg auf BiCMOS erfolgte in den 1980er Jahren und bildete die Grundlage für eine Reihe von Produktkategorien zu denen 5-V-Regler und Relaistreiber gehörten Durch das Zusammenführen der Bipolar-CMOSund LDMOS-Technologie bildete die BiCD-Technologie in den 2000-er Jahren die Grundlage für moderne Halbleiterlösungen in Sicherheitssystemen darunter Airbags elektrische Servolenkung EPS und Motorsteuerungsgeräten Die Expertise und Konkurrenzfähigkeit hat dazu geführt dass Toshiba in den letzten 45 Jahren 2 5 Milliarden Analog-ICs für Automobil-Anwendungen ausgeliefert hat Um diesen Erfolg im Automobil-Bereich fortzusetzen arbeitet Toshiba mit Hochdruck an neuen Lösungen Derzeit entwickelt das Unternehmen einen neuen Halbbrückentreiber für 12-VMotorsteuerungen Der TB9111FTG besteht aus jeweils einem Highund Low-Side-Leistungs-FET mit geringen Durchlasswiderständen sowie dem dazugehörigen Gate-Treiber-ControllerIC Bild 1 Die Halbbrücke arbeitet in einem für die Leistungs-FETs gültigen Temperaturbereich von 40 bis +175 °C Hohe Integration für 50-A-Motoransteuerungen Der TB9111 wird als Systemin-Package SiP-Lösung bestehend aus drei Chips im WQFN-Gehäuse 9 mm × 9 mm realisiert Zur Optiemierung der Wärmeabfuhr verfügt das Gehäuse über ein Exposed Pad an der Unterseite Bei entsprechender Auslegung kann die Halbbrücke Motorströme in der 50-A-Region liefern Das enthaltene Controller-IC bietet verschiedene Funktionen die sowohl die Steuerung der FETs als auch den Systemschutz und die Rückmeldung an den Mikrocontroller unterstützen Der Schutz umfasst Abschalten bei Überstrom Strombegrenzung Totzeitgenerierung und Erkennen von Unterspannungen Außerdem ist ein Operationsverstärker integriert der zusammen mit einem niederohmigen High-SideWiderstand die Information über den gemessenen Spannungsabfall an den ADC des angeschlossenen Mikrocontrollers weiterleitet Bild 2 Die erzielbare Genauigkeit kann dabei bis zu 10 Prozent erreichen Um EMV-Anforderungen gerecht zu werden kann ein externer Widerstand mit dem SR-Pin für die gewünschte Flankensteilheit zum Einsatz kommen Bild 3 Die interne Totzeitgenerierung passt sich automatisch dieser Einstellung an Zu beachten ist dass langsamere Anstiegsund Abfallzeiten einen Einfluss auf das obere Ende der nutzbaren Pulsweitenmodulationsfrequenzen PWM haben Dies führt auch zu höheren Verlusten und erzeugt aufgrund der höheren Stromaufnahme mehr Wärme welches es beim Schaltungsdesign zu berücksichtigen gilt Die Motorsteuerung erfolgt über drei digitale Eingänge von denen zwei für die PWM-Signale der Highund Low-SideFETs sind und einer die Freigabefunktion bereitstellt Ein weiterer digitaler Eingang ist für die Standby-Funktion sodass der TB9111 in einen Zustand mit 5 µA Strom wechselt Zwei digitale Ausgänge liefern Diagnoserückmeldungen an den Mikrocontroller Entsprechend konfiguriert kann die Diagnose entweder auf Übertemperaturoder Überstromzustände reagieren oder kann beides kombinieren Um die Verzögerung bei der Temperaturmessung auf ein absolutes Minimum zu reduzieren verfügen die Nund P-Kanal-FETs über integrierte Dioden zur Temperaturüberwachung durch den Controller Temperaturwarnungen werden ab etwa 135 °Cvon dem Chip ausgegeben während der Baustein bei gemessenen 195 °Cin den automatischen Shutdown wechselt Dieser Fehlerzustand erfordert dann einen durch den Mikrocontroller zu initiierenden Neustart Die Temperaturdioden lassen sich auch vom Mikrocontroller aus direkt über zwei dedizierte Ausgangspins und einen ADC überwachen Es werden bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren unterstützt Bürstenbehaftete Motoren lassen sich mit einem TB9111FTG oder mit zwei TB9111FTG in einer H-Brückenkonfiguration betreiben Bild 4 In dieser Konstellation werden beide High-SideFETs stromüberwacht Alternativ lassen sich drei Bausteine kombinieren um einen BLDC Motor anzusteuern Mechanische Funktionen elektrifizieren Moderne Fahrzeuge erfordern eine umfassende Elektrifizierung bisher rein mechanischer Funktionen Das erfordert Hochleistungsmotoren mit einer Steuerelektronik die das erforderliche Drehmoment zum Heben und Bewegen von Fenstern Türen und Heckklappen bereitstellen Es kommt auch darauf an Bild 3 Anwendung mit Diagnoseauswertung Stromüberwachung und optionaler FET-Temperaturüberwachung für den Halbbrückenbetrieb Bild Toshiba Electronics