Automotive Electronics Sensormodule für sicherheitskritische Kfz-Anwendungen

Die Entwicklung von Sensormodulen für Kfz-Anwendungen stellt hinsichtlich elektrischem Funktionsumfang und Robustheit höchste Anforderungen. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.

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Die Anforderungen bei der Entwicklung eines Sensormoduls für Automotive-Anwendungen hinsichtlich elektrischem Funktionsumfang und Robustheit sind zwar enorm hoch – sie lassen sich aber mithilfe eines Sensor-Signal-Konditionierers (SSC) erfüllen. Konkret handelt es sich bei dem Beispiel in diesem Beitrag um den Sensor-Signal-Konditionierer ZSC31150 von ZMDI und seinem Einsatz in Stand-Alone-Sensormodulen für den Anschluss resistiver Sensorelemente mit 5-V_DC-Speisung aus einer ECU und ratiometrischem Analog-Spannungsausgang. Der ZSC31150 ist für Betriebstemperaturen von -40 bis 150 °C spezifiziert und bietet neben einem hervorragendem EMV-Verhalten mehrere integrierte Schutz- und Diagnosefunktionen für sicherheitsrelevante Applikationen auf SIL2-Level.

Durch ein geschicktes elektrisches Design des Sensormoduls unter Berücksichtigung aller EMV-relevanten Parameter wie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten lässt sich bei optimierten Modulkosten eine ausgezeichnete elektrische Robustheit und Eigendiagnosefunktionalität erreichen. Die so realisierten Applikationen bietet außerdem eine hohe Meßgenauigkeit über den vollen Betriebstemperaturbereich sowie über die gesamte Lebensdauer.

Über ungeschirmte Kabel angeschlossene Sensor-Module

Stand-Alone-Sensor-Module werden normalerweise über ein ungeschirmtes Kabel mit einer Länge von typ. 1,7 m an ein Steuergerät (ECU) angeschlossen (Bild 1). Der verfügbare Platz im Modulgehäuse aus Metall oder Kunststoff ist sehr begrenzt. Der Trend geht dabei sowohl aus Kostengründen als auch wegen der Platz- und Gewichtseinsparung in Richtung immer kleinerer und leichterer Sensormodule.

Wenn ein Stand-Alone-Sensormodul direkt von der ECU mit Energie versorgt wird, werden zwischen diesem und dem Steuergerät häufig die folgenden Schnittstellen verwendet:

• Ratiometrischer analoger Spannungsausgang (typisch bei 5-V_DC-Versorgung),

• SENT-Schnittstelle (für schnelle digitale, unidirektionale Punkt-zu-Punkt-Datenübertragung),

• PSI5-Schnittstelle (stromcodierte digitale Zweidraht-Datenübertragung).

Ratiometrisches Signal bei 5-Volt-gespeisten Sensoren

Bei 5-V-gespeisten Sensormodulen in Pkws sind noch immer ratiometrische analoge Spannungssignale als Interface zur ECU üblich, wobei die Stromaufnahme unter 10 mA bleiben muss. Bild 2 zeigt eine Applikationsschaltung, die diese Anforderungen erfüllt.

Je nach Aufbau des Moduls (z.B. Gehäusematerial) können zwei zusätzliche Kondensatoren mit C≤10 nF an den differentiellen Eingängen VBP und VBN zum VSSA erforderlich sein, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen.

Bezüglich elektromagnetischer Immunität gegenüber kontinuierlich oder transient einwirkender Hf-Energie gibt es mehrere standardisierte Testmethoden für leitungsgebundene und gestrahlte Hf-Energieübertragung zu Stand-Alone-Sensormodulen. Wegen der relativ kleinen Abmessungen seiner internen leitenden Teile (z.B. Elektronikteile, Leiterplatte) gibt es im Modul praktisch keine effiziente Antenne für Hf-Energie bis 1 GHz, da alle Dimensionen kleiner als die Länge l_a eines äquivalenten λ/4-Dipols sind. Im Durchschnitt beträgt l_a bei 1 GHz ca. 50 mm:

l_a = 0,175 c/f

Bis zu 1 GHz ist nur das ungeschirmte Verbindungskabel zur ECU eine effektive Antenne für Hf-Energie. Allerdings gibt es einen Trend, den Frequenzbereich für die EMV-Testprozedur auf 3 GHz und mehr zu erhöhen, weshalb künftig auch modulinterne leitfähige Strukturen in diese Betrachtungen einzubeziehen sind.

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