Como garantir a segurança automotiva usando indutores de alta confiabilidade

Os sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e os sistemas de direção automatizada (ADS) são sistemas de direção autônoma automotiva críticos para a segurança que compreendem um ou mais processadores avançados que tomam decisões críticas com base nas entradas de vários sensores. Esses processadores normalmente operam em vários níveis de baixa tensão, mas podem consumir corrente na faixa de dois dígitos de amperes (A).

Os circuitos integrados de gerenciamento de energia (PMICs) são usados para fornecer várias tensões aos processadores, mas exigem indutores de alta confiabilidade para garantir uma energia estável. Esses indutores devem ser capazes de lidar com grandes correntes com baixas perdas de energia em frequências de chaveamento de energia de até 10 megahertz (MHz). Os indutores também precisam ser volumetricamente eficientes, com uma pegada na placa de circuito impresso (PCI) e um perfil baixo. Como todos os componentes dos sistemas de direção autônoma, eles devem atender aos rígidos padrões de confiabilidade e segurança exigidos pelo setor automotivo, como o AEC-Q200.

Este artigo descreve resumidamente os requisitos de processamento do ADAS/ADS. Em seguida, ele apresenta os indutores da TDK que foram especialmente projetados para essa aplicação e mostra como suas características exclusivas podem ajudar a garantir um projeto automotivo robusto e seguro.

Sistemas de direção autônoma

Um ADAS/ADS típico usa um processador especializado com interface de vários sensores para tomar as decisões rápidas necessárias para a direção autônoma (Figura 1).

Figura 1: O processador em um ADAS/ADS precisa de energia confiável de baixa tensão em altos níveis de corrente, que é fornecida por um PMIC para controlar o veículo com base nas entradas do sensor. (Fonte da imagem: EPCOS-TDK)

A tensão de alimentação para esses processadores é geralmente baixa, cerca de 1 volt, mas os níveis de corrente podem chegar a dezenas de amperes, o que sobrecarrega o PMIC. O conversor secundário da Figura 1 usa oito indutores de potência com o PMIC para fornecer energia ao processador.

Os indutores de potência são dispositivos passivos que armazenam energia em seus campos eletromagnéticos e são amplamente usados em circuitos de fonte de alimentação e conversores CC/CC. Usados com o PMIC como conversores abaixadores ou buck, os indutores de potência são os principais componentes que afetam o desempenho do processo de conversão de energia (Figura 2).

Figura 2: Um esquema simplificado de um conversor buck simples destaca a função do indutor de potência. (Fonte da imagem: EPCOS-TDK)

Um conversor buck produz uma tensão de saída menor do que a tensão de entrada. Em um conversor buck, um comutador é colocado em série com a fonte de tensão de entrada (V_IN). A fonte de entrada alimenta a saída por meio do comutador e de um filtro passa-baixa. O filtro é implementado com um indutor de potência e um capacitor de saída. Em um estado de operação estável, quando o comutador está ligado por um período de T_ON, a entrada aciona a saída, bem como o indutor de potência. Durante esse período de T_ON , a diferença nos níveis de tensão entre V_IN e a tensão de saída (V_OUT) é aplicada ao indutor no sentido direto, conforme mostrado pela seta de "ligar". A corrente do indutor (I_L) aumenta linearmente até I_pico.

Quando o comutador está desligado (T_OFF), a corrente do indutor continua a fluir no mesmo sentido devido à energia armazenada do indutor que continua a fornecer corrente à carga por meio do diodo de comutação, conforme ilustrado pela seta de "desligar". Durante esse período de T_OFF, o indutor tem a tensão de saída V_OUT aplicada a ele no sentido inverso, e a corrente do indutor diminui em relação ao valor de I_pico. Isso resulta em uma corrente de ondulação triangular. A magnitude da corrente de ondulação está relacionada à indutância do indutor de potência. O valor da indutância é geralmente definido para resultar em uma corrente de ondulação de 20 a 30% da corrente de saída dimensionada. A tensão de saída será proporcional ao ciclo de trabalho do comutador.

Se a carga for aumentada repentinamente, haverá uma queda na tensão de saída, resultando em uma corrente de pico anormalmente grande através do indutor de potência em um curto período de tempo para carregar o capacitor de saída. O valor do indutor de potência afeta a resposta transitória do conversor: valores pequenos do indutor aceleram o tempo de recuperação e valores maiores aumentam o tempo de recuperação.

No ambiente do veículo, esses indutores devem atender a padrões elétricos e mecânicos muito elevados. O mais importante deles é a alta confiabilidade. A confiabilidade e a qualidade dos componentes passivos destinados à operação em veículos são qualificadas de acordo com os padrões estabelecidos pelo Automotive Electronics Council (AEC). Os componentes passivos são qualificados de acordo com o AEC-Q200, o padrão global de resistência ao estresse que todos os componentes eletrônicos passivos devem atender se forem destinados ao uso no setor automotivo. Os testes incluem resistência a choque, vibração, umidade, solventes, calor de solda, flexão da placa e descarga eletrostática (ESD). Os testes também incluem testes de temperatura de -40°C a +125°C, com exposição a temperaturas extremas e ciclos térmicos.

Para aplicações automotivas, os indutores devem ter dimensões compactas e ser capazes de operar na faixa de temperatura automotiva esperada. Essa última capacidade requer baixa resistência em série para minimizar a perda de potência e o aumento da temperatura. Os indutores também devem ser capazes de operar em frequências de chaveamento de energia na faixa de 2 a 10 MHz, que são normalmente usadas por PMICs, e também devem ser capazes de lidar com altos transientes de cargas com a possibilidade de altas correntes de saturação.

Indutores de potência projetados para o setor automotivo

Os indutores de potência da série CLT32 da EPCOS-TDK foram projetados para aplicações ADAS/ADS e apresentam alta confiabilidade, dimensionamentos de alta corrente, baixa resistência em série, altas correntes de saturação e tamanho pequeno (Figura 3).

Figura 3: Os indutores de potência da série TDK CLT32 apresentam uma estrutura de bobina/terminal de peça única que utiliza um enrolamento de cobre espesso sem conexões internas. O material de moldagem magnética garante uma característica de saturação suave. (Fonte da imagem: EPCOS-TDK)

Os indutores de potência CLT32 são formados em torno de uma bobina de cobre espessa de peça única com uma estrutura de terminal integral. Isso significa que não há conexões internas que possam causar uma operação não confiável. A bobina de cobre espessa também mantém a resistência em série tão baixa quanto 0,39 miliohms (mΩ) para minimizar as perdas de potência. A menor resistência também resulta em menor geração de calor sob carga.

A bobina é sobremoldada com um composto plástico ferromagnético recém-desenvolvido que forma o núcleo e a carcaça externa da bobina. O material do núcleo tem excelentes características elétricas, mesmo em altas temperaturas e em aplicações de alta frequência. As baixas perdas de núcleo são dignas de nota. Além disso, a capacidade do material de ser processado em baixa pressão e baixa temperatura minimiza o estresse na bobina durante a produção.

O material do núcleo oferece uma característica de saturação suave em comparação com materiais de ferrite alternativos. A alteração na indutância como resultado da saturação magnética é expressa como desvio de saturação, medido como a alteração percentual na indutância (Figura 4).

Figura 4: Em resposta à saturação magnética, o núcleo CLT32 apresenta baixo desvio de saturação, proporcionando uma resposta suave. (Fonte da imagem: EPCOS-TDK)

O material do núcleo CLT32 proporciona uma mudança visivelmente menor no valor da indutância devido à saturação, especialmente em temperaturas mais altas. Eles oferecem correntes de saturação máximas de até 60 A.

O indutor completo cabe em um invólucro de baixo perfil medindo 3,2 por 2,5 por 2,5 milímetros (mm). Essa alta eficiência volumétrica significa que vários indutores podem ser usados sem a necessidade de mover o projeto para uma placa de circuito impresso maior. Os indutores são dimensionados para operar em uma faixa de temperatura de -40°C a +165°C. Essa faixa de temperatura excede os requisitos da temperatura máxima de teste AEC-Q200 de 125°C, mencionada acima.

Os indutores de potência TDK CLT32 estão disponíveis em valores de indutância de 17 a 440 nanohenries (nH), conforme mostrado na Tabela 1.

Tabela 1: São mostradas as características especificadas dos indutores de potência TDK CLT32 e seu código de pedido correspondente. Todos cabem no mesmo invólucro de baixo perfil de 3,2 por 2,5 por 2,5 por 2,5 mm. (Fonte da tabela: EPCOS-TDK)

Com relação à tabela, R_DC é a resistência em série do indutor. Observe que ela aumenta com o valor da indutância devido ao maior número de voltas necessárias para uma indutância mais alta. I_SAT é a corrente de saturação com base na redução do valor da indutância devido à saturação, que é inversamente proporcional à indutância. I_temp é a corrente nominal máxima, com base no aumento de temperatura no invólucro. I_temp também é inversamente proporcional ao valor da indutância.

As perdas em um indutor de potência incluem perdas de CC, proporcionais à resistência em série da bobina. Há também perdas de CA devido ao efeito de pele, perda de histerese e perda de corrente de Foucault. As perdas CA de corrente de Foucault estão relacionadas ao material do núcleo.

Em comparação com tecnologias alternativas, como filme fino ou indutores compostos de metal, os indutores CLT32 apresentam menor perda de potência por corrente de ondulação (Figura 5).

Figura 5: Os indutores de potência CLT32 têm menor perda de potência por corrente de ondulação do que as tecnologias de indutor de filme fino ou composto de metal. (Fonte da imagem: EPCOS-TDK)

As baixas perdas de ondulação CA significam que correntes de ondulação mais altas podem ser toleradas, permitindo valores de capacitância mais baixos em conversores CC/CC.

Perdas menores também se traduzem em maior eficiência em comparação com outros tipos de indutores (Figura 6).

Figura 6: A comparação de desempenho dos indutores de potência em um conversor buck de saída única mostra a maior eficiência dos indutores de potência CLT32. (Fonte da imagem: EPCOS-TDK)

Sob cargas leves, as perdas do núcleo dominam a eficiência do indutor de potência. Uma carga maior reduz a eficiência devido a perdas resistivas. Em todos os casos, os indutores de potência CLT32 são melhores do que as tecnologias alternativas.

Conclusão

Os conceitos inovadores de design incorporados aos indutores de potência da série TDK CLT32 oferecem tamanhos menores e melhor desempenho elétrico do que as tecnologias concorrentes, garantindo maior confiabilidade. Sua ampla faixa de temperatura e de frequência os tornam componentes ideais para uso em projetos ADAS/ADS de última geração.