Power-Tipp Funktionale Sicherheit bei batterieunabhängigen Buck-Vorreglern für Automotive

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Da Leistungselektronik-Anwendungen im Automobilbereich hin zu funktionalen, sicherheitskonformen Designs gehen, ist ein Umdenken bei der Auswahl der Controller und Wandler für die Vorregler-Leistungsstufe erforderlich. ASIL-D-Konformität ist eine der größten Herausforderungen.

Die ISO-Norm 26262 dient der Risikominimierung und enthält zu diesem Zweck Richtlinien und Vorgaben hinsichtlich der funktionalen Sicherheit elektrischer und elektronischer Systeme für Kraftfahrzeuge. Basierend auf einer Risikoanalyse definiert die Norm anhand der Schwere der Auswirkung, der Häufigkeit des Auftretens und der Beherrschbarkeit so genannte Sicherheitsklassen (Automotive Safety Integrity Levels, ASIL) von A bis D. Radar und Lidar sind Beispiele für Systeme, die ASIL D erfüllen müssen, während von Infotainment-Systemen wegen der geringeren Sicherheitsrelevanz lediglich ASIL B gefordert wird. Ein Thema, das alle Systeme betrifft, ist die verlässliche Stromversorgung aus dem Fahrzeugbordnetz.

Synchrone Abwärtsregler können aus der Bordnetzspannung, die je nach Fahrzeug 12, 24 oder 48 V beträgt, die notwendigen Versorgungsspannungen für die verwendeten Prozessoren erzeugen, deren Stromaufnahme teilweise mehr als 100 A beträgt. In der in Bild 1 gezeigten Schaltung ist jeder Ausgang mit einem Spannungswächter-IC versehen, um die funktionale Sicherheit gemäß ASIL D zu erreichen.

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Die Ausgangs-Trennschalter Q3 und Q6 in Bild 1 schalten den betreffenden Ausgang im Fehlerfall ab. Außerdem leitet ein konventioneller Dual-Output-Abwärtswandler, wie er in Bild 1 gezeigt ist, dem System-Mikrocontroller mithilfe der Power-Good-Pins PG1/2 einfache Diagnoseinformationen zu.

Der für 80 V ausgelegte zweikanalige Abwärtsregler LM5137F-Q1 enthält sämtliche Funktionen zur Implementierung eines hocheffizienten synchronen Abwärtsreglers für Core- und I/O-Versorgungsleitungen mit hohem Strombedarf. Der Baustein entstammt einer Controllerfamilie, die in drei Kategorien angeboten wird: Fähig für funktionale Sicherheit, ASIL B fähig oder ASIL D fähig, wobei die beiden letztgenannten Optionen an dem Zusatz „F“ in der Typenbezeichnung erkennbar sind.

Zu den eingebauten Safety-Mechanismen des LM5137F-Q1 gehört ein „Analog Built-In Self-Test“ (ABIST), der die Funktionalität des Wandlers und seiner umgebenden Bauelemente überprüft, bevor die Ausgänge aktiviert werden. Dank der redundanten Ausgangsspannungs-Überwachung werden keine externen Spannungswächter benötigt, was den Platzbedarf, die Komplexität und die Kosten der Hardware entsprechend verringert. Eine erweiterte Fehlermeldung, eine Überstrom-Überwachungs- und -Meldefunktion, ein Über- und Unterspannungsschutz für den Ausgang sowie eine redundante Übertemperatur-Abschaltung ergänzen die Palette der eingebauten Sicherheitsmechanismen.

Abwärtswandler mit integrierten Schaltern stellen eine weitere Option für die Vorreglerstufe dar. Die für 65 V konzipierten Abwärtswandler-Familien LM68680-Q1 (8 A) und LM68645-Q1 (4,5 A) verkraften eingangsseitige Spannungsspitzen bis 70 V und erfüllen die Anforderungen von Systemen, die mindestens ASIL C entsprechen müssen. Abgesehen davon ähneln die gebotenen Eigenschaften hinsichtlich der funktionalen Sicherheit jenen, die bereits im Zusammenhang mit dem LM5137F-Q1 beschrieben wurden.

Das in Bild 2 skizzierte System nutzt den LM68680-Q1 und den LM68645-Q1 als Vorregler für die zweiphasigen, kaskadierbaren Point-of-Load-Abwärtswandler (PoL) TPS62883-Q1 (30 A) und TPS62881-Q1 (20 A). Mit ihrer differenziellen Fernerfassung der Ausgangsspannung und ihrem extrem schnellen Lastsprungverhalten liefern die PoL-Bausteine exakt geregelte Spannungen für den Automotive-SoC Jacinto TDA4VH-Q1, der hier in einer ADAS-Domaincontroller-Applikation eingesetzt wird.

Unabhängig von der jeweils gewählten Architektur und den verwendeten Reglern bzw. Wandlern stellt TI die notwendige Dokumentation für eine unkompliziertere Zertifizierung der funktionalen Sicherheit zur Verfügung, die unter anderem die FIT-Angaben (Failure In Time) und die Failure-Mode Effects And Diagnostic Analysis (FMEDA) umfasst. (kr)

* Tim Hegarty ist Applikationsingenieur bei Texas Instruments.

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