Gleichstrom - Motoren - HANSER automotive

hanser.automotive.de

Gleichstrom - Motoren - HANSER automotive

14lA UTOMOTIVE

11.2008l TITEL

© Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern

SYSTEM-ICS VON ATMEL FÜR DIE

ANSTEUERUNG VON GLEICHSTROMMOTOREN

System-ICs für

Gleichstrom - Motoren

Mit den neuen Leistungs-System-ICs von Atmel können vielfältige DC-

Motorsteuerungsaufgaben kostengünstig gelöst werden. Sie ermöglichen

eine einfache Kommunikation mit einem Mikrocontroller, bieten umfassende

Schutzfunktionen und sind hoch integriert. Zudem können sie in Hochtemperatur-Umgebungen

bis 200 °C eingesetzt werden.

Während DC-Motoren mit kleiner Stromaufnahme,

wie sie beispielsweise in den Luftklappen

von Klimaanlagen eingesetzt werden,

direkt aus intelligenten Treiberschaltkreisen angesteuert

werden können, bedarf die Ansteuerung größerer

DC-Motoren üblicherweise der Hilfe einer H-Brücke,

bestehend aus diskreten Power-MOSFETs, die ihrerseits

von intelligenten "Gate"-Treiberschaltungen aktiviert

werden.

Da sich viele Anwendungen oft in dezentralen Systemen

mit verteilter Intelligenz befinden, ist eine Anbindung des

Ansteuerschaltkreises an ein Bussystem notwendig, bei

Komfortelektronik ist dies der LIN- (Local Interconnect Network)

Bus.

Systemidee

Für die modulare Ausstattung eines Fahrzeugs ist es wünschenswert,

einerseits möglichst universell einsetzbare

Komponenten verwenden zu können, andererseits aber

auch auf Bauteile zurückzugreifen, die speziell auf die jeweiligen

Aufgabenstellung angepasst sind. Aus wirtschaftlichen

Gesichtspunkten werden die Schaltelemente, sprich


© Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern

die Power-MOSFETs der H-Brücke, in

ihren Eigenschaften (z. B. Einschaltwiderstand

und Spannungsfestigkeit)

nach der jeweiligen Aufgabe ausgewählt,

während die Gate-Treiber möglichst

all diese Transistoren gleichermaßen

ansteuern können und weitere

periphere Überwachungs- und Versorgungsfunktionen

beinhalten sollten.

Schließlich wird das dezentrale System

durch einen ebenfalls der jeweiligen

Anforderung entsprechenden Mikrocontroller

komplettiert.

Mit automobilgerechten Mikrocontrollern,

z. B. den beiden Atmel-Bauteilen

ATmega88 oder ATmega167, und unter Bild 1: Ansteuerung eines Motors mit dem Treiber-IC ATA6824.

Verwendung eines der beiden Treiber-

ICs ATA6823 oder ATA6824 kann der

Anwender nach Auswahl entsprechender

Powertransistoren ein vollständiges System für vielfältige

DC-Motorsteueraufgaben aufbauen (Bild 1). Die beiden

Treiberbauteile ermöglichen eine einfache Kommunikation

mit einem Mikrocontroller, bieten umfassende

Schutzfunktionen und sind hoch integriert, um die Bestückung

von ECUs einfach und somit kostengünstig zu

gestalten.

TITELl AUTOMOTIVE 11.2008l15

Bild 2: Wirkungsweise des Cross-Conduction Timers.

Von der Brücke zum System

Um die Powertransistoren unterschiedlicher Leistungsklassen

mit Stromaufnahmen von wenigen Ampere bis zu

einhundert Ampere oder mehr ansteuern zu können, stehen

2 H-Brückentreiber zu Verfügung, die als komplette Leistungs-System-ICs

ein Maximum an Integrationsgrad aufweisen

und somit eine ideale Schnittstelle zwischen Mikrocontroller

und Power-MOSFETs darstellen. Für alle Komfortanwendungen,

bei denen die maximale Chiptemperatur

150 °C nicht überschreitet, eignet sich der Baustein

ATA6823, während das IC ATA6824 für Hochtemperaturanwendungen,

die den Chip auf bis zu 200 °C erhitzen können,

ausgelegt ist.

Neben der größtmöglichen Integration von peripheren

Funktionen ist es auch wichtig, dass die Kommunikation

zwischen den Treiberschaltkreisen und dem Mikrocontroller

möglichst einfach ist. Dazu wurden bestimmte Zeitfunktionen

hardwaremäßig in die beiden Treiber-ICs implementiert.

So legt beispielsweise der Mikrocontroller durch

ein logisches "0" oder "1" Signal am Eingang DIR der ICs

fest, welcher der beiden integrierten High-Side-Schalter

geschlossen werden soll ("0" = H1 on, "1" = H2 on), und

bestimmt damit die Drehrichtung des angeschlossenen

Motors. An dem jeweils zugeordneten Low-Side-Schalter

wird die vom Mikrocontroller vorgegebene Schaltfrequenz

oberhalb des Hörbereiches, z. B. 25 kHz, direkt durchgeschaltet.

Das bedeutet, wenn H1 geschlossen ist, wird L2

im Takt der PWM geschaltet. Gleichzeitig wird die nicht permanent

angesteuerte High-Side-Stufe (in diesem Fall also

H2) im Gegentakt zur Low-Side-Stufe betrieben. Damit

wird erreicht, dass ein Pfad für den beim Abschalten auftretenden

Induktionsstrom geschaffen wird. Dieselbe Konfiguration

wird übrigens zum Abbremsen des DC-Motors

verwendet: Wird das PWM-Signal auf "0" gesetzt, sind

beide High-Side-Schalter geschlossen.

Folgende Funktionsblöcke sind integriert: ein Spannungsregler,

der per Modepin entweder auf 3,3 V oder 5 V eingestellt

werden kann; ein programmierbarer Fenster-

Watchdog, der mit einer eigenen Zeitbasis eine unabhängige

Überwachung des Mikrocontrollers gewährleistet,

und eine Busschnittstelle, die im Falle des ATA6823 als

echter LIN-Transceiver ausgeführt ist. Abgerundet werden

die Eigenschaften durch ein ganzes Bündel von in der Kfz-

Elektronik üblichen Schutzmaßnahmen wie z. B. Überlasterkennung,

Erkennung für offene Last, zweistufige Übertemperaturwarnung

und -abschaltung sowie Unter- und

Überspannungserkennung.

© automotive

© automotive


16lA UTOMOTIVE

11.2008l TITEL

© Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern

Treibende Kraft

Als Power-MOSFETs für die H-Brücke kommen sowohl

Standard-NMOS- als auch Logic-Level-NMOS-Typen in

Frage. Dabei können Transistoren mit einer Stromtragfähigkeit

von wenigen Ampere bis etwa 100 Ampere zum Einsatz

kommen. Die Auswahl wird bestimmt durch die

gewünschte Schaltzeit, die Gate-Kapazität der Transistoren

und den Strom, den die Ausgangsstufen der Treiber-ICs liefern

können. Angesteuert werden die NMOS-Transistoren

durch integrierte Push-Pull-Stufen, die jeweils für einen

Strom von mindestens 100 mA ausgelegt sind. Für die

High-Side-NMOS-Transistoren steht eine 3-mA-Ladungspumpe

mit einer Frequenz von 100 kHz zur Verfügung. Die

Ladungspumpe arbeitet zusammen mit einem integrierten

12-V-Spannungsregler, der die Ansteuerung der Low-Side-

NMOS-Transistoren mit einer Spannung von 12 V gewährleistet

und gleichzeitig die Ladungspumpe speist. Somit

steht für die Gates der High-Side-NMOS-Transistoren eine

Spannung von 12 V über der Batteriespannung zur Verfügung.

Bild 3: Motor-Control-Applikation.

Die Schaltkreise ATA6823 und ATA6824 vermeiden selbsttätig

fehlerhafte Ansteuerungen, die zu gefährlich hohen

Strömen in der H-Brücke führen können, indem ein so

genannter "Crossconduction Timer" die gleichzeitige

Ansteuerung von High-Side- und Low-Side-NMOS-Transistoren

in einem Pfad vermeidet (Bild 2). Durch die Variation

einer am Pin CC anzuschließenden RC-Kombination wird

unterschiedlichen Power-MOSFETs Rechnung getragen,

indem die jeweiligen Ein- und Ausschaltzeiten für die Festlegung

der Verzögerungszeit berücksichtigt werden. Als

Basiswert wird eine Verzögerungszeit von circa 20 µs vorgeschlagen,

die sich aus der Verwendung eines 10-kΩ-

Widerstandes und eines Kondensators mit 5 nF ergibt.

Ein auftretender Kurzschluss in der H-Brücke wird mittels

einer Drain-Source-Überwachung der NMOS-Transistoren

erkannt. Dazu verfügen die beiden Schalkreise über die

© automotive

Source-Pins S1 und S2. Sobald die Drain-Source-Spannung

4 V bei eingeschaltetem Transistor übersteigt und länger als

eine bestimmte Verzögerungszeit anliegt, wird der betreffende

Ausgang abgeschaltet und der Mikrocontroller erhält

eine Fehlermeldung über den Diagnosepin DG1.

Diagnose

Die beiden ICs erkennen und melden nicht nur den Kurzschluss,

sondern auch weitere fehlerhafte Betriebszustände

an den angeschlossenen Mikrocontroller. Insgesamt

stehen dafür drei Diagnosepins zur Verfügung, wobei, wie

geschildert, DG1 für die Kurzschlussmeldung zuständig ist.

Alles was mit fehlerhaften Spannungswerten zu tun hat, ist

dem zweiten Diagnosepin DG2 zugeordnet, nämlich Fehler

der Ladungspumpe sowie Über- und Unterspannung.

Ersteres wird angezeigt, wenn die Ladungspumpe ihre

Minimalspannung nicht erreicht. Im Fall von Überspannung

muss aus technologischen Gründen ab einem bestimmten

Spannungspegel abgeschaltet werden, da sonst die

Ladungspumpe eine unzulässig hohe Spannung erzeugen

würde. Ebenso wie die Überspannungs- ist auch

die Unterspannungserkennung mit einer Hysterese

versehen; ab ca. 6,5 V Batteriespannung ist ein

Betrieb möglich.

Der Diagnosepin DG3 des ATA6823 meldet dem

Mikrocontroller das Erreichen einer gefährlich

hohen Chiptemperatur von 150 °C. Dieser kann

dann gezielte Maßnahmen ergreifen, um die weitere

Erwärmung zu verhindern. Erst im Falle einer

Chiptemperatur von 165 °C schaltet der Leistungs-

System-IC alle Treiberstufen einschließlich des

LIN-Transceivers und den 3,3-V-/5-V-Spannungsregler

ab. Eine Wiedereinschaltung kann nur über

den Mikrocontroller erfolgen. Beim ATA6824, der

für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt ist,

wie sie z. B. im Motorraum auftreten, liegt die

Warnschwelle bei 180 °C, während die Abschaltschwelle

bei 220 °C spezifiziert ist.

Unter Spannung

Drei integrierte Spannungsregler stehen zur Verfügung,

von denen aber nur der pinprogrammierbare

V CC -Spannungsregler für die Versorgung externer

Verbraucher ausgelegt ist. Wird der Pin VMODE auf

GND-Potential gelegt, stehen am Ausgang 3,3 V zur Verfügung;

wird der Mode-Pin dagegen auf das Potential des

internen 5-V-Spannungsreglers gelegt, erhält man eine 5-V-

Versorgung.

Der V CC -Spannungsregler ist mit einer Strombegrenzungsschaltung

versehen, die den Ausgangsstrom auf

einen Wert zwischen 100 und 300 mA limitiert. Damit ist

die Versorgung des angeschlossenen Mikrocontrollers und

eventuell vorhandener Sensoren möglich. Die beiden anderen

Spannungsregler (5 V, 12 V) sind nicht für die Versorgung

externer Verbraucher ausgelegt. Der 5-V-Regler dient der

internen Spannungsversorgung, wobei ein angeschlossener

Komparator den gesamten IC bei zu niedriger Spannung

im Reset-Zustand hält, während der 12-V-Regler die

Gates der Low-Side-Transistoren versorgt.


TITELl AUTOMOTIVE 11.2008l17

© Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern

Kommunikation

Hier unterscheiden sich die Anwendungswege der beiden

System-ICs. Der ATA6823 ist mit einer echten LIN-Schnittstelle

ausgestattet und kann deshalb sowohl als LIN-

Master als auch -Slave eingesetzt werden, wobei der

Betrieb als Master eine externe Beschaltung durch einen

1kΩ-Widerstand in Reihe zu einer Diode nach V Bat erforderlich

macht.

Davon profitieren alle Anwendungen, die mittels des 20-

kBaud-LIN-Bus vernetzt sind. Die IP von Atmels Standalone-LIN-Transceiver

ATA6662 wurde in den ATA6823

implementiert, um den Einsatz so problemlos wie möglich

zu machen. Da es sich um einen reinen Transceiver handelt,

muss das Protokollhandling im angeschlossenen Mikrocontroller

erfolgen, der über die Pins RX und TX mit dem

LIN-Transceiver verbunden ist.

Der ATA6824 weist ebenfalls eine „Hochvolt“-fähige serielle

bidirektionale Schnittstelle auf, deren Spezifikation

jedoch – wie bereits weiter oben angesprochen – von der

des echten LIN-Transceiver abweicht. Berücksichtigt man

die Hochtemperatureigenschaften des ATA6824, so wird

klar, dass seine Anwendungsgebiete weniger die LIN-vernetzte

Komfortelektronik, sondern vielmehr die Motorraumelektronik

umfasst. In dieser Umgebung sind normalerweise

die Stellgeräte nicht in eine LIN-Vernetzung einbezogen.

Watchdog

Der integrierte programmierbare Fenster-Watchdog

ermöglicht die Anwendung in sicherheitsrelevanten Funktionen

ohne zusätzliche Schaltungen, da seine Zeitbasis

vom Oszillator des Treibers abgeleitet wird und somit völlig

unabhängig vom Mikrocontroller ist.

Mit einer Widerstandbeschaltung legt der Anwender das

Zeitfenster fest, in dem das Triggersignal des Mikrocontrollers

erwartet wird. Ein Ausbleiben dieses Signals führt zu

einem Resetkommando für den Mikrocontroller, dazu wird

der Pin /RESET auf Masse gezogen. Um die Setup-Zeit des

Mikrocontrollers zu berücksichtigen, ist die Zeitdauer des

ersten Watchdog-Fensters verlängert. Im Sleep-Modus ist

Geschaffen für Anspruchsvolle

M-LOG Datenlogger & Gateway

Measurement in Motion

Die „Schaltzentrale“ für die mobile Datenerfassung – intelligent, flexibel

und individuell konfigurierbar.

• Integrierte Bus-Messeingänge: CAN, LIN, Ethernet (inkl. Protokolle)

• Messdaten erfassen, verrechnen, speichern, online ausgeben

• Messdaten alphanumerisch und grafisch visualisieren, überwachen

• Zugriff auf Messdaten und Konfiguration lokal/regional und weltweit

• Zuverlässiger Betrieb unter extremen Bedingungen

keine Überwachung des Mikrocontrollers durch den Watchdog

vorgesehen.

Peripherie

Für den Betrieb am Bordnetz ist eine externe Verpolschutzschaltung

erforderlich und es sind Speicher- und HF-Kondensatoren

möglichst nahe am Pin V BAT vorzusehen. Die

weitere Beschaltung ist in Bild 3 zu sehen.

Das robuste QFN-Gehäuse zeichnet sich nicht nur durch den

kleinen Platzbedarf auf der Platine aus, sondern hat auch

einen kleinen thermischen Widerstand. Da insbesondere der

integrierte Spannungsregler eine beachtliche Wärmequelle

darstellt, ist eine gute Wärmeanbindung des Schaltkreises

entscheidend. Mit der Lötung des "exposed pads" ist dies

problemlos möglich, es werden sehr niedrige thermische

Widerstandswerte von R thja = 20 K/W erzielt. Somit kann

immerhin eine Verlustleistung von ca. 1,2 W in diesem winzigen

Gehäuse umgesetzt werden, davon entfallen allein auf

den Spannungsregler im 5-V-Modus ca. 800 mW.

Applikationshinweise

Wie bereits erwähnt, ist die Zielanwendung der Reversierbetrieb

von DC-Motoren, aber auch in Anwendungen, die

nur eine Drehrichtung aufweisen, wie z. B. bei Gebläsen

oder Pumpenmotoren, können die Leistungs-System-ICs

sinnvoll eingesetzt werden, wobei allerdings nur jeweils

eine High-Side- und Low-Side-Stufe benötigt wird. Mit der

High-Side-Stufe wird die Spannungsversorgung des

Motors geschaltet, während die Low-Side-Stufe einen FET

parallel zum Motor ansteuert, der den Freilaufstrom beim

Abschalten übernimmt. Wenn der Anwender eine Strommessung

im Motorpfad benötigt, kann ein niederohmiger

Widerstand in der Masseleitung vorgesehen werden, dessen

Spannungsabfall dem AD-Wandler des angeschlossenen

Mikrocontrollers zugeführt wird. (oe)

Dipl.-Ing. Klaus Schweizer ist Marketing Manager für Treiberschaltkreise

bei Atmel in Heilbronn.

Atmel

@ www.atmel.de

www.ipetronik.com

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine