วิธีตรวจสอบความปลอดภัยของยานยนต์โดยใช้ตัวเหนี่ยวนำที่มีความน่าเชื่อถือสูง

ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และระบบขับขี่อัตโนมัติ (ADS) เป็นระบบขับขี่อัตโนมัติในยานยนต์ที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัย ซึ่งประกอบด้วยโปรเซสเซอร์ขั้นสูงตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปที่ทำการตัดสินใจที่สำคัญตามอินพุตของเซ็นเซอร์หลายตัว โดยทั่วไป โปรเซสเซอร์เหล่านี้ทำงานที่ระดับแรงดันไฟต่ำหลายระดับ แต่อาจดึงกระแสในช่วงแอมแปร์สองหลัก (A)

วงจรรวมการจัดการพลังงาน (PMIC) ใช้เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าจำนวนมากให้กับโปรเซสเซอร์ แต่วงจรเหล่านี้ต้องการตัวเหนี่ยวนำที่มีความน่าเชื่อถือสูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีพลังงานที่เสถียร ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้ต้องสามารถจัดการกับกระแสขนาดใหญ่ที่มีการสูญเสียพลังงานต่ำที่ความถี่การสลับพลังงานสูงถึง 10 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ตัวเหนี่ยวนำยังต้องมีประสิทธิภาพเชิงปริมาตรด้วยรอยเท้าของแผงวงจรพิมพ์ (pc) ขนาดเล็กและโปรไฟล์ต่ำ เช่นเดียวกับส่วนประกอบทั้งหมดในระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ ส่วนประกอบเหล่านี้ต้องเป็นไปตามมาตรฐานความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยที่เข้มงวดซึ่งกำหนดโดยอุตสาหกรรมยานยนต์ เช่น AEC-Q200

บทความนี้จะอธิบายข้อกำหนดการประมวลผลของ ADAS/ADS โดยย่อ จากนั้นจึงแนะนำตัวเหนี่ยวนำจาก TDK ที่ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับแอปพลิเคชันนี้และแสดงให้เห็นว่าคุณลักษณะเฉพาะของพวกเขาสามารถช่วยรับประกันการออกแบบยานยนต์ที่แข็งแกร่งและปลอดภัยได้อย่างไร

ระบบขับขี่อัตโนมัติ

ADAS/ADS ทั่วไปใช้โปรเซสเซอร์พิเศษที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์หลายตัวเพื่อทำการตัดสินใจที่รวดเร็วซึ่งจำเป็นสำหรับการขับขี่อัตโนมัติ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ตัวประมวลผลใน ADAS/ADS ต้องการพลังงานแรงดันต่ำที่เชื่อถือได้ที่ระดับกระแสไฟฟ้าสูง ซึ่งจ่ายโดย PMIC เพื่อควบคุมยานพาหนะตามอินพุตเซ็นเซอร์ (ที่มาของภาพ: EPCOS-TDK)

โดยทั่วไป แรงดันไฟรางสำหรับโปรเซสเซอร์เหล่านี้ต่ำประมาณ 1 โวลต์ แต่ระดับปัจจุบันอาจอยู่ที่ 10 วินาทีของแอมแปร์ ซึ่งสร้างความเครียดให้กับ PMIC ตัวแปลงรองในรูปที่ 1 ใช้ตัวเหนี่ยวนำพลังงานแปดตัวกับ PMIC เพื่อจ่ายพลังงานให้กับโปรเซสเซอร์

ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่เก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรจ่ายไฟและตัวแปลง DC/DC ใช้กับ PMIC เป็น step-down หรือ buck converters ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของกระบวนการแปลงพลังงาน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แผนผังที่เรียบง่ายของตัวแปลงบั๊กเดี่ยวเน้นบทบาทของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า (แหล่งรูปภาพ: EPCOS-TDK)

ตัวแปลงบั๊กสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ต่ำกว่าแรงดันอินพุต ในบั๊กคอนเวอร์เตอร์ สวิตช์จะถูกต่ออนุกรมกับแหล่งจ่ายแรงดันอินพุต (V_IN) แหล่งอินพุตป้อนเอาต์พุตผ่านสวิตช์และตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำ ตัวกรองถูกนำไปใช้กับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าและตัวเก็บประจุเอาต์พุต ในสถานะการทำงานคงที่เมื่อเปิดสวิตช์เป็นระยะเวลา T_ON อินพุตขับเอาต์พุตเช่นเดียวกับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า ระหว่างนี้ช่วง T_ON ความต่างของระดับแรงดันระหว่าง V_IN และแรงดันขาออก (V_OUT) ใช้กับตัวเหนี่ยวนำในทิศทางไปข้างหน้า ดังที่แสดงโดยลูกศร 'เปิด' กระแสเหนี่ยวนำ (I_L) เพิ่มขึ้นแบบเป็นเชิงเส้นถึง I_peak .

เมื่อปิดสวิตช์ (T_OFF) กระแสของตัวเหนี่ยวนำยังคงไหลในทิศทางเดิมเนื่องจากพลังงานที่เก็บไว้จากตัวเหนี่ยวนำยังคงจ่ายกระแสให้กับโหลดอย่างต่อเนื่องผ่านไดโอดสับเปลี่ยน ดังที่แสดงโดยลูกศร 'ปิด' ระหว่างนี้ช่วง T_OFF ตัวเหนี่ยวนำมีแรงดันขาออก V_OUT นำไปใช้ในทิศทางกลับกันและกระแสเหนี่ยวนำจะลดลงจากค่า I_peak ส่งผลให้กระแสระลอกสามเหลี่ยม ขนาดของกระแสกระเพื่อมนั้นสัมพันธ์กับความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า โดยทั่วไปค่าของตัวเหนี่ยวนำจะถูกตั้งค่าให้ส่งผลให้กระแสกระเพื่อมอยู่ที่ 20-30% ของกระแสเอาต์พุตที่กำหนด แรงดันขาออกจะเป็นสัดส่วนกับรอบการทำงานของสวิตช์

หากโหลดเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหัน แรงดันเอาต์พุตจะตก ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่มากผิดปกติผ่านตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าในช่วงเวลาสั้น ๆ เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุเอาต์พุต ค่าของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้ามีผลต่อการตอบสนองชั่วคราวของตัวแปลง: ค่าตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กจะเร่งเวลาในการฟื้นตัว และค่าที่มากขึ้นจะเพิ่มเวลาในการฟื้นตัว

ในสภาพแวดล้อมของรถยนต์ ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้ต้องเป็นไปตามมาตรฐานทางไฟฟ้าและเครื่องกลที่สูงมาก สิ่งสำคัญที่สุดคือความน่าเชื่อถือสูง ความน่าเชื่อถือและคุณภาพของส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่มีไว้สำหรับการใช้งานในยานพาหนะนั้นมีคุณสมบัติตามมาตรฐานที่กำหนดโดย Automotive Electronics Council (AEC) ส่วนประกอบแบบพาสซีฟมีคุณสมบัติภายใต้ AEC-Q200 ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลสำหรับความทนทานต่อความเครียดที่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟทั้งหมดต้องเป็นไปตามมาตรฐาน หากมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ การทดสอบรวมถึงความต้านทานต่อการกระแทก การสั่นสะเทือน ความชื้น ตัวทำละลาย ความร้อนจากการบัดกรี การโค้งงอของบอร์ด และการปล่อยไฟฟ้าสถิต (ESD) การทดสอบยังรวมถึงการทดสอบอุณหภูมิตั้งแต่ -40°C ถึง +125°C โดยสัมผัสกับอุณหภูมิสุดขั้วและการวนรอบด้วยความร้อน

สำหรับการใช้งานในยานยนต์ ตัวเหนี่ยวนำต้องมีขนาดกะทัดรัดและสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิยานยนต์ที่คาดไว้ ความสามารถอย่างหลังต้องการความต้านทานต่ออนุกรมต่ำเพื่อลดการสูญเสียพลังงานและลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ตัวเหนี่ยวนำควรสามารถทำงานที่ความถี่การสลับพลังงานในช่วง 2 ถึง 10 MHz ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้โดย PMIC และยังสามารถจัดการกับโหลดชั่วคราวที่สูงโดยมีความเป็นไปได้ที่กระแสอิ่มตัวสูง

ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่ออกแบบมาสำหรับยานยนต์

CLT32 ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าซีรีส์จาก EPCOS-TDK ได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งาน ADAS/ADS และมีความน่าเชื่อถือสูง พิกัดกระแสสูง ความต้านทานซีรีส์ต่ำ กระแสอิ่มตัวสูง และขนาดที่เล็ก (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าซีรีส์ TDK CLT32 มีโครงสร้างขดลวด/เทอร์มินอลชิ้นเดียวที่ใช้ขดลวดทองแดงหนาโดยไม่มีการเชื่อมต่อภายใน วัสดุขึ้นรูปแม่เหล็กช่วยให้มั่นใจได้ถึงลักษณะความอิ่มตัวที่นุ่มนวล (แหล่งรูปภาพ: EPCOS-TDK)

ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า CLT32 ถูกสร้างขึ้นรอบ ๆ ขดลวดทองแดงหนาชิ้นเดียวที่มีโครงสร้างขั้วต่อแบบรวม ซึ่งหมายความว่าไม่มีการเชื่อมต่อภายในที่จะทำให้เกิดการทำงานที่ไม่น่าเชื่อถือ ขดลวดทองแดงหนายังรักษาความต้านทานของซีรีส์ให้ต่ำถึง 0.39 มิลลิโอห์ม (mΩ) เพื่อลดการสูญเสียพลังงาน ความต้านทานที่ต่ำกว่ายังส่งผลให้ความร้อนที่เกิดขึ้นภายใต้ภาระลดลง

ขดลวดถูกหล่อขึ้นรูปด้วยสารประกอบพลาสติกเฟอร์โรแมกเนติกที่พัฒนาขึ้นใหม่ ซึ่งสร้างทั้งแกนของขดลวดและตัวเรือนด้านนอก วัสดุแกนมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมแม้ในอุณหภูมิสูงและในการใช้งานความถี่สูง หมายเหตุพิเศษคือการสูญเสียคอร์ต่ำ นอกจากนี้ ความสามารถของวัสดุในการประมวลผลที่ความดันต่ำและอุณหภูมิต่ำช่วยลดความเครียดบนขดลวดในระหว่างการผลิต

วัสดุหลักมีลักษณะความอิ่มตัวที่นุ่มนวลเมื่อเทียบกับวัสดุเฟอร์ไรต์ทางเลือก การเปลี่ยนแปลงในตัวเหนี่ยวนำอันเป็นผลมาจากความอิ่มตัวของแม่เหล็กจะแสดงเป็นความอิ่มตัวของการลอย ซึ่งวัดเป็นเปอร์เซ็นต์การเปลี่ยนแปลงในตัวเหนี่ยวนำ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ในการตอบสนองต่อความอิ่มตัวของแม่เหล็ก แกน CLT32 แสดงการเบี่ยงเบนของความอิ่มตัวต่ำ ซึ่งให้การตอบสนองที่นุ่มนวล (แหล่งรูปภาพ: EPCOS-TDK)

วัสดุแกนกลาง CLT32 ให้การเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำที่ลดลงอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากความอิ่มตัว โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูงขึ้น ให้กระแสอิ่มตัวสูงสุดถึง 60 A

ตัวเหนี่ยวนำทั้งหมดบรรจุในบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กที่มีขนาด 3.2 คูณ 2.5 คูณ 2.5 มิลลิเมตร (mm) ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูงนี้หมายความว่าสามารถใช้ตัวเหนี่ยวนำหลายตัวได้โดยไม่ต้องย้ายการออกแบบไปยังบอร์ดพีซีที่ใหญ่ขึ้น ตัวเหนี่ยวนำได้รับการจัดอันดับให้ทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง +165°C ช่วงอุณหภูมินี้เกินข้อกำหนดของอุณหภูมิทดสอบ AEC-Q200 สูงสุดที่ 125°C ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น

ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า TDK CLT32 มีค่าความเหนี่ยวนำตั้งแต่ 17 ถึง 440 นาโนเฮนรี (nH) ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1: แสดงเป็นคุณลักษณะเฉพาะของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า TDK CLT32 และรหัสการสั่งซื้อที่เกี่ยวข้อง ทั้งหมดพอดีกับแพ็คเกจโปรไฟล์ต่ำขนาด 3.2 คูณ 2.5 คูณ 2.5 คูณ 2.5 มม. (แหล่งที่มาของตาราง: EPCOS-TDK)

อ้างถึงตาราง, R_{กระแสตรง} คือความต้านทานอนุกรมของตัวเหนี่ยวนำ โปรดทราบว่ามันปรับขนาดตามค่าการเหนี่ยวนำเนื่องจากจำนวนรอบที่มากขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการเหนี่ยวนำที่สูงขึ้น ฉัน_นั่ง คือกระแสความอิ่มตัวตามการลดลงของค่าความเหนี่ยวนำเนื่องจากความอิ่มตัว ซึ่งจะแปรผกผันกับค่าความเหนี่ยวนำ ฉัน_{อุณหภูมิ} คือกระแสพิกัดสูงสุด โดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในบรรจุภัณฑ์ ฉัน_{อุณหภูมิ} ยังปรับขนาดผกผันกับค่าความเหนี่ยวนำ

การสูญเสียในตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้ารวมถึงการสูญเสีย DC ตามสัดส่วนของความต้านทานอนุกรมของขดลวด นอกจากนี้ยังมีการสูญเสีย AC เนื่องจากผลกระทบที่ผิวหนัง การสูญเสียฮิสเทรีซิส และการสูญเสียกระแสไหลวน การสูญเสีย AC ในปัจจุบันเกี่ยวข้องกับวัสดุหลัก

เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีทางเลือก เช่น ตัวเหนี่ยวนำแบบฟิล์มบางหรือโลหะผสม ตัวเหนี่ยวนำ CLT32 แสดงการสูญเสียพลังงานกระแสกระเพื่อมที่ต่ำกว่า (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ตัวเหนี่ยวนำพลังงาน CLT32 มีการสูญเสียพลังงานจากกระแสกระเพื่อมต่ำกว่าเทคโนโลยีตัวเหนี่ยวนำแบบฟิล์มบางหรือโลหะผสม (แหล่งรูปภาพ: EPCOS-TDK)

การสูญเสียการกระเพื่อมของ AC ต่ำหมายความว่าสามารถทนต่อกระแสกระเพื่อมที่สูงขึ้น ทำให้ค่าความจุในคอนเวอร์เตอร์ DC/DC ต่ำลง

การสูญเสียที่ลดลงยังส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเมื่อเทียบกับตัวเหนี่ยวนำประเภทอื่นๆ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าในบั๊กคอนเวอร์เตอร์เอาต์พุตเดี่ยวแสดงประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า CLT32 (แหล่งรูปภาพ: EPCOS-TDK)

ภายใต้ภาระที่เบา การสูญเสียแกนจะควบคุมประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า การโหลดที่สูงขึ้นจะลดประสิทธิภาพเนื่องจากการสูญเสียความต้านทาน ในทุกกรณี ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า CLT32 ดีกว่าเทคโนโลยีทางเลือกอื่นๆ

สรุป

แนวคิดการออกแบบที่เป็นนวัตกรรมรวมอยู่ในตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าซีรีส์ TDK CLT32 นำเสนอขนาดที่เล็กกว่าและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีกว่าเทคโนโลยีของคู่แข่งในขณะที่มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น ช่วงอุณหภูมิที่กว้างและช่วงความถี่ที่กว้างทำให้เป็นส่วนประกอบที่เหมาะสำหรับใช้ในการออกแบบ ADAS/ADS ยุคหน้า