Bauelemente eFuses: Schneller auf Zonenarchitekturen in Software-definierten Fahrzeugen umstellen

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Konfigurierbare eFuse-Elemente schaffen die Voraussetzungen für eine zügigere Umstellung auf Software-definierte Fahrzeugarchitekturen. Warum? Sie erfüllen nicht nur die Forderungen nach intelligenter Stromverteilung und Software-definierten zonalen ECUs, sondern bieten gleichzeitig Kosten- und Platzvorteile und sorgen für eine zeiteffiziente Entwicklung. Damit können sie eine Alternative zu traditionellen Sicherungen darstellen.

Die Umstellung auf Software-definierte Fahrzeuge (Software-defined Vehicle, SDV) ist die größte Revolution, die es in den zurückliegenden zehn Jahren in der Automobilindustrie gegeben hat. Traditionelle Fahrzeugkonstruktionen bestanden noch aus Hardware-basierenden Subsystemen, die jeweils bestimmten Funktionen, wie etwa dem Antriebsstrang oder dem Infotainment zugeordnet waren. Weil jedoch Fahrzeugmodelle in immer kürzeren Zyklen entwickelt und modernisiert werden, ist es effizienter, mehrere Funktionen in modularen, flexiblen Subsystemen, also Zonen, zusammenzufassen. Anstelle von speziellen Bereichs- oder Domänen-Steuergeräten können Fahrzeuge nunmehr zwei bis drei Zonen-Steuergeräte mit integrierten Funktionen enthalten.

Zur Umstellung auf Zonenarchitekturen gehört der Ersatz klassischer Schmelzsicherungen durch Halbleiter-Schaltelemente, die als eFuses bezeichnet werden und im Vergleich zu Schmelzsicherungen mit zahlreichen Vorteilen punkten können. Zuallererst sind eFuses rückstellbar, müssen also nicht mehr ausgetauscht werden und können daher dort platziert werden, wo es technisch am sinnvollsten ist. Weil sie also nicht mehr leicht zugänglich sein müssen, können die Leitungsverbindungen zwischen Stromversorgung und Verbraucher oftmals verkürzt werden. Außerdem weisen eFuses eine verbesserte, deutlich weniger variable Strom-Zeit-Charakteristik auf, sodass es möglich ist, die Leiterquerschnitte und damit das Gewicht und die Kosten der Kabelbäume zu reduzieren. Dem Power-Management-System werden zudem vermehrte Möglichkeiten zur Vermeidung und Diagnose von Ausfällen geboten, was sich günstig auf das Management des Stromverbrauchs auswirkt und es möglich macht, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu maximieren. Bild 1 veranschaulicht die Umstellung von Schmelzsicherungen auf eFuses.

Design mit eFuses

Ein vernetztes Fahrzeug muss zu allen Zeiten den Zustand des jeweiligen Systems erfassen können, wobei die Palette von anspruchsvollen Sensorfunktionen bis zu Sicherungselementen reicht. Nicht zuletzt verlangen Zonen-Plattformen nach Flexibilität, wenn sich die Anforderungen an die Sicherungen abhängig vom jeweils versorgten Verbraucher ändern. eFuses beispielsweise vom Typ TPS2HCS10-Q1 können zur Lösung beider Probleme beitragen, indem sie über eine Schnittstelle wie das Serial Peripheral Interface (SPI) die Möglichkeit bieten, die Schalter gemäß den Anforderungen des jeweiligen Verbrauchers zu konfigurieren. Außerdem können sie durch Auslesen von Diagnoseinformationen aus dem Verbraucher zu fundierten Entscheidungen beitragen. Die Gesamt-Systemkosten und der Bauteileaufwand sind dabei trotz des erweiterten Funktionsumfangs geringer, weil eFuses keine externen passiven Bauelemente benötigen, um die Schutz- und Diagnosefeatures zu konfigurieren.

Die mithilfe der SPI-Schnittstelle realisierte, ständige Verfügbarkeit mehrerer Ausfalldiagnose-Features für Schalter und Verbraucher verringert den Aufwand für den Mikrocontroller (MCU). Ein in das eFuse-Element integrierter A/D-Wandler (ADC) gestattet beispielsweise ein rein digitales Auslesen von Diagnoseinformationen per SPI, sodass kein ADC im Mikrocontroller für das Entgegennehmen von Strom- und Spannungsinformationen reserviert werden muss. Bild 2 verdeutlicht, wie ein eFuse-Element ohne externe Bauelemente die Ausgangsspannung erfasst und Kurzschlüsse zur Batterie ebenso detektiert wie eine unterbrochene Verbindung zum Verbraucher.

Zu den besonderen Herausforderungen beim Umstieg auf SDVs gehört das Rationalisieren der Software- und Firmware-Entwicklung im Interesse eines zusammenhängenden Systems. Müssen für verschiedene Fahrzeugmodelle unterschiedliche Systeme validiert werden, hat das negative Auswirkungen auf den Zeit- und Kostenaufwand. Günstig ist in diesem Zusammenhang die Tatsache, dass eFuses gleichermaßen für niedrige wie hohe Lastströme genutzt werden können und eine einheitliche Schnittstelle zum Programmieren sowie zum Auslesen von Informationen besitzen, sodass zahlreiche Modellvarianten und Lastströme abgedeckt werden. Die Verfügbarkeit einer digitalen Schnittstelle zum Konfigurieren der Software sowie für Steuerungs- und Diagnosezwecke hat ferner zur Folge, dass weniger I/O-Pins am MCU belegt werden, weshalb weniger Kosten für zusätzliche I/O-Expander entstehen und die benötigte Leiterplattenfläche reduziert wird.

Weshalb sind Software-konfigurierbare eFuses eine gute Wahl?

Software-konfigurierbare eFuses bieten etliche Vorteile. Dazu zählen:

• Konfigurierbare Strom-Zeit-Profile: Anstelle eines einheitlichen Grenzstroms entscheidet bei einem eFuse-Element die hinterlegte Strom-Zeit-Kennlinie abhängig von Höhe und Dauer des Laststroms darüber, ob und wann die Abschaltung erfolgt. eFuses können somit hohe Stromspitzen, wie sie beim Anlaufen oder Blockieren eines Motors entstehen, für kurze Zeit passieren lassen, aber bei einer echten Überlastung dennoch abschalten, um die Verkabelung, die Leiterbahnen und die Steckverbinder zu schützen. Die SPI-basierte Konfigurierbarkeit erlaubt es zudem, die Sicherungs-Kennlinie mit nur zwei Parametern, nämlich dem Nennstrom und der Ansprechschwelle für die Abschaltung, in weiten Grenzen zu programmieren. In Bild 3 ist ein exemplarisches Schutzschema für den gesamten Strombereich zu sehen.

• Geringe Ruhestromaufnahme: Viele elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) bleiben auch bei abgestelltem Fahrzeug eingeschaltet. Die in der Stromversorgung dieser ECUs verwendeten eFuses dürfen deshalb nur wenig Strom aufnehmen, damit sich die Batterie nicht vorzeitig entlädt und die notwendigen Verbraucher aktiv bleiben können. Trotz der geringeren Stromaufnahme sind die Schutzfunktionen jedoch weiter wirksam und bieten Schutz vor Kurzschlüssen. Noch wichtiger ist aber die Tatsache, dass eFuses anhand der Lastbedingungen zwischen dem aktiven und dem Stromspar-Modus unterscheiden können, sodass sie ohne Mehraufwand für den MCU autonom ihre Aufgabe wahrnehmen. Das eFuse-Portfolio von TI erfüllt sämtliche Anforderungen und zeichnet sich durch eine sehr geringe Ruhestromaufnahme aus.

• Konfigurierbarer Modus für kapazitive Lasten: Viele zonale Verbraucher sind kapazitiver Natur, sodass die verwendeten Schalter zum effizienten Aufladen dieser Kapazitäten geeignet sein müssen. Bei traditionellen Schmelzsicherungen und Schaltern sucht man diese Fähigkeit dagegen vergeblich. eFuses jedoch bieten einen Konstantstrom-Lademodus für Fälle, in denen während des Ladens erhebliche Lastströme auftreten, oder aber einen Modus mit festgelegter Spitzenspannung für Verbraucher mit besonders großer Lastkapazität, die mit einem sehr geringen Strom geladen werden. In beiden Fällen ist der Inrush-Strom während einer programmierbaren Zeitspanne auf einen niedrigen Wert begrenzt. Vorteilhaft an eFuses ist, dass sie durch entsprechendes Anpassen der Strom- und Spannungsgrenzwerte gleichermaßen für Verbraucher mit geringer oder hoher Lastkapazität geeignet sind. Das Konfigurieren des Elements für den kapazitiven Lademodus ist die beste Wahl, um die Kapazität und einen parallelen Laststrom abzudecken.

eFuses verdrängen traditioneller Halbleiterschalter

Das von TI angebotene Portfolio intelligenter High-Side-Schalter mit integrierten Feldeffekt-Transistoren und weitem Einschaltwiderstands-Bereich für unterschiedliche Lastströme trägt dazu bei, die Herausforderungen beim Design von Zonenarchitekturen zu meistern. Das eFuse-Element TPS2HCS10-Q1 hilft mit seiner SPI-Schnittstelle, seinem Low-Power-Modus, seiner I2T-Strombegrnzung und seiner intelligenten Kondensator-Ladefunktion, die Entwicklung zu vereinfachen und die technischen Herausforderungen abzumildern. Mit diesen Schaltern wird folglich eine ausgefeiltere Stromverteilung möglich, während gleichzeitig Schutz- und Diagnosefunktionen geboten werden.

 (se)

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* Sreenath Unnikrishnan ist Senior Member of the Technical Staff, Power Switches, bei Texas Instruments.

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