Immer höher integrierte Halbleiter für komplexe Fahrzeug-Netzwerke

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Zunehmende Bauteilintegration

Bild 1: Ein System Basis Chip enthält alle Funktionen, die zur Anbindung eines Moduls an ein Netzwerk, zur Stromversorgung und Steuerung erforderlich sind – IVN-Transceiver, Stromversorgungs- und Schutzfunktionen
(Bild: ON Semiconductor)

Die Herausforderung, Kosten zu verringern, ist in der Elektronikindustrie allgegenwärtig. Eine höhere Halbleiterintegration durch mehr Funktionen auf einem Chip hat sich hier als erfolgreich erwiesen. Dies findet sich in der Roadmap für Automotive-ICs, wie z.B. bei System Basis Chips (SBCs) wieder. Diese Bausteine enthalten alle Funktionen, die zur Anbindung eines Moduls an ein Netzwerk, zur Stromversorgung und Steuerung erforderlich sind (Bild 1).

Ein SBC ersetzt mehrere diskrete ICs

Die Netzwerkanbindung und der Strombedarf eines LIN-Knotens wurden früher mit diskreten ICs bedient, etwa mit einem Bus-Transceiver sowie einem Spannungsregler und je nach Anwendung einer Reihe von High-Side- oder Low-Side-Treibern. Mit SBCs wie dem lassen sich die Kosten für die Stückliste senken und kleinere Module realisieren, da diese System Basis Chips die Stromversorgung und Datenanbindung auf einem monolithischen Chip vereinen. Der NCV7420 etwa enthält einen 3,3 V/50 mA- und einen 5 V/50 mA-LDO-Linearspannungsregler sowie einen LIN-Transceiver und er bietet Schutz vor Kurzschluss, Load-Dump und Transienten. Der Baustein eignet sich u.a. für Fensterheber, Schiebedächer, elektronische Lenkradschlösser und zur Spiegeleinstellung.

Ein SBC wie der NCV7471 hingegen kann bis zu 500 mA Strom bereitstellen, da ein Boost-Buck DC/DC-Wandler implementiert ist. Neben der Stromversorgung, zu der auch ein präziser 50-mA-LDO zählt, überwacht der NCV7471 die Anwendungssoftware über einen Watchdog und enthält Highspeed-CAN- und zwei LIN-Transceiver, womit die ECU mehrere Kommunikationsknoten hosten oder als Gateway fungieren kann.

Elektromagnetische Störungen handhaben

Mit der steigender Zahl vernetzter Knoten, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, müssen die von Tier-1-Zulieferern entwickelten Subsysteme die hohen EMV-Anforderungen der einzelnen Fahrzeughersteller erfüllen. Dabei soll die elektromagnetische Störempfindlichkeit minimiert werden, um Störungen in der Umgebung zu verhindern, die einen korrekten Betrieb beeinträchtigen können. Die elektromagnetischen Emissionen müssen auch niedrig gehalten werden, damit Radioempfang, Remote Keyless Entry oder andere Systeme wie die drahtlose Bluetooth-Datenkommunikation nicht gestört werden.

Die Tier-1-Zulieferer müssen nachweisen, dass ihre Systeme den OEM-Anforderungen entsprechen. Deshalb bieten die Bauteilhersteller Hilfe an, um die Spezifikationen auf Systemebene zu erfüllen. Die Halbleiterhersteller haben dazu Techniken entwickelt, um die Störanfälligkeit zu verringern.

Bild 2: Rauscharme ICs wie der CAN-Transceiver NCV7351 minimieren elektromagnetische Emissionen – eine genaue Anpassung der Ausgangsschaltkreise führt zu niedrigen elektromagnetischen Emissionen, selbst wenn wie in diesem Beispiel keine Gleichtakt-Drossel verwendet wird
(Bild: ON Semiconductor)

Die Bemühungen, elektromagnetische Störungen gering zu halten, spiegeln sich bei Bausteinen wie dem CAN-Transceiver NCV7351 wider, der Empfängereingänge mit einem großen Gleichtakt-Spannungsbereich bietet. Zusammen mit anderen Funktionen garantiert dies eine geringe elektromagnetische Störanfälligkeit. Eine genaue Anpassung der Ausgangsschaltkreise führt zu niedrigen elektromagnetischen Emissionen, selbst wenn keine Gleichtakt-Drossel verwendet wird (Bild 2). Zudem bieten alle Bus-Anschlüsse integrierten Schutz gegen elektrostatische Entladungen über 10 kV.

ESD-Schutz wird im Auto immer wichtiger

Die ESD-Festigkeit von Elektronikmodulen in Fahrzeugen ist für die Hersteller ebenfalls enorm wichtig. Die Module sind während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs anfällig gegen elektrostatische Entladungen: bei der Montage, Wartung oder Reparatur und während des Betriebs. Um die Integrität sicherheitskritischer Systeme zu gewährleisten und Garantieansprüche zu minimieren, fordern die Fahrzeughersteller, dass ESD-Pulse auf gar keinen Fall elektronische Schaltkreise im Fahrzeug beschädigen dürfen. Um sicherzustellen, dass die Module während der Handhabung nicht beschädigt werden, werden HBM- (Human Body Model) und CDM-Tests (Charged Device Model) durchgeführt,.

Die Bauteilhersteller müssen dazu beitragen, die von den Fahrzeugherstellern spezifizierten Anforderungen auf Modulebene zu erfüllen. Hoher ESD-Schutz auf Systemebene, nach internationalen Standards wie IEC 61000-4-2, wird für Automotive-ICs in Fahrzeugnetzwerken immer häufiger gefordert. Der NCV7351 ist ein Beispiel für einen Highspeed-CAN-Transceiver mit integriertem ESD-Schutz über 15 kV an den CAN-Datenanschlüssen nach IEC 61000-4-2.

Eigene EMV- und ESD-Spezifikationen der Kfz-Hersteller

Zu beachten ist, dass die Fahrzeughersteller aus der Erfahrung ihre eigenen EMV- und ESD-Spezifikationen entwickelt haben. So wird die Zuverlässigkeit jedes Fahrzeugs über dessen Lebensdauer gewährleistet. Einige Hersteller unterhalten sogar ihre eigenen Bus-Standards, um Wettbewerbsvorteile wie höhere Datenraten oder Fehlertoleranz zu genießen. FlexRay ist ein Beispiel eines solchen Standards, der aus einem proprietärem Bus entstand. Als solche sind ESD- und EMV-Spezifikationen nun als Teil des FlexRay-Standards mit eingeschlossen.

Fahrzeug-Netzwerke bringen deutliche Verbesserungen

Fahrzeug-Netzwerke sorgen mit der dazugehörigen Elektronik für wesentliche Verbesserungen in heutigen Fahrzeugen. Mehr Funktionalität auf einem IC, weniger Störanfälligkeit und ESD-Schutz gewährleisten heute höchste Zuverlässigkeit und Robustheit. Die Automotive-Industrie fordert höchste Qualität und Innovation von der Modulebene bis hinab zu den einzelnen Bauteilen.

* Wim Van de Maele ist Marketing Manager für applikationsspezifische Standardprodukte (ASSPs) bei ON Semiconductor in Belgien.

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