L e lampade HID (High IntensityDischarge), rispetto alle tradizio-nali lampade abbaglianti e anab-

baglianti, offrono i seguenti vantaggi:- Superiore luminosità- Miglior resa cromatica

- Tempo di vita sensibilmente aumentatoInizialmente l’utilizzo di tali lampade eradestinato alle macchine di gamma alta,ma, grazie alle loro prestazioni superio-ri, i produttori di automobili stanno pen-sando a un’estensione nell’impiego per

macchine di media gamma (che equiva-le ad una grossa percentuale del merca-to automotive).Questo tipo di lampade, a differenza diquelle ad incandescenza, richiedono unparticolare circuito di controllo (ballast,Fig. 1) comprendente un convertitoreDC/DC (che produce un ‘abbassamen-to’ della batteria fino a -400V), un full-bridge che produce una tensione perio-dica alternata che direttamente pilota lalampada e un iniettore che serve a pro-durre un forte impulso di tensione utilea innescare la lampada. Un’opportuna logica di controllo ènecessaria per regolare il pilotaggio

60

AUTO IC

Giovanni TorrisiTechnical Marketing Manager Automotive Product GroupSTMicroelectronics

Dispositivi di potenza intelligenti a bassa Rdsonper il controllo di applicazioni automotive

L’utilizzo sempre più diffuso della lampada a scarica e la recente introduzione del concetto di Power Management

nell’elettronica per le applicazioni Body, ha spinto i costruttori di elettronica per auto

a utilizzare sempre più frequentementedispositivi Mosfet, di bassa Rdson,

con logica di controllo integrata

ELETTRONICA OGGI 363 - GENNAIO 2007

Fig. 1 – Schema a blocchi di una lam-pada a scarica

ESCLUSIVAApplicazioni

61

AUTO ICApplicazioni

ELETTRONICA OGGI 363 - GENNAIO 2007

della lampada e soprattutto definire letemporizzazioni della lampada, opera-zione abbastanza complessa, che si divi-de in (Fig. 2, non in scala):- Pre-accensione: la lampada, prima cheil gas contenuto al suo interno sia inne-scato, si comporta come un circuitoaperto. Affinché l’iniettore produca l’ex-tra tensione è necessario che il ballastproduca preliminarmente una tensionedi circa -400V. La durata di questa fasepuò variare da centinaia di µsec a decinedi 30ms.- Innesco: la lampada, considerando tuttipossibili worst-case, richiede un impul-so di tensione dell’ordine dei 20kV peresser sicuramente innescata. L’iniettoremantiene il segnale per un centinaio dinsec circa. - Mantenimento: avvenuto l’innesco delgas all’interno della lampada, con con-seguente produzione di scintilla all’in-terno del tubo, l’impedenza equivalentedel carico si riduce a poche decine diOhm. Il carico richiede uno spunto ini-ziale di corrente (quaranta amperecirca), per un tempo breve, per sostene-re l’arco. Questa corrente è fornita dauna capacità, precedente caricata duran-te l’accensione, e il periodo di manteni-mento è di circa 300us.- Riscaldamento: appena dopo l’innesco,

il comportamento della lampada è diret-ta funzione della sua temperatura: incaso di lampada fredda (-20V ai suoicapi), essa deve essere riscaldata inmodo da garantirne il corretto funziona-mento. Il controllore deve assicurare l’e-rogazione al carico di una corrente DC(10-15A), per un tempo di 15ms, cherisulta essere un’operazione fondamen-tale: senza questo accorgimento tecnicola lampada, in particolari condizioniapplicative, potrebbe spegnersi.- Pre-regime: la lampada, opportuna-

mente riscaldata, è adesso pilotata tra-mite il full-bridge che produce un segna-le, simmetrico AC, avente frequenza dicirca 400Hz. Per essere sicuro che ognitipo di lampada, comprese quelle vec-chie richiedenti tempi di accensione piùlunghi, lo spunto iniziale (10-15A) èmantenuto per decine di secondi. Inquesta fase la potenza complessiva èsuperiore a quella nominale.- Regime: dopo 20-30 secondi di ‘Pre-regime’, ogni tipo di lampada può esse-re considerata accesa. La corrente rag-

Fig. 2 – Forme d’onda tipiche di unalampada a scarica

Fig. 3 – Schema a blocchi di un IPS

ELETTRONICA OGGI 363 - GENNAIO 2007

ApplicazioniAUTO IC

giunge il valore operativo finale (4-5Acirca), la tensione operativa è di circa85V ± 15V: corrente e tensione dellalampada sono dirette funzioni dellecaratteristiche del carico stesso.Compito della logica di controllo è prov-vedere un opportuno pilotaggio in tuttele condizioni di funzionamento.Dato che la corrente è tipicamentemisurata dalla parte DC, e che le com-ponenti AC sono simmetriche, è possi-bile riprodurre il profilo continuo dellacorrente (Idc in Fig. 2). Da sottolinearecome il dispositivo di controllo, nellafase di pre-regime, tende a far erogarealla lampada sempre la stessa potenza.

Questo significa che, in caso di bassivalori di batteria e per il periodo prece-dente quello di regime, la corrente nellalampada è superiore a quella durante ilvalore nominale.Un circuito di controllo, sofisticato edelicato come il ballast delle HID, nonpuò essere alimentato direttamentedalla batteria della macchina: sovracca-richi, impulsi di tensione spuri e un non

corretto livello del segnale di alimenta-zione potrebbero causare malfunziona-menti al modulo.All’interno del portafoglio prodotti diSTMicroelectronics esistono dei dispo-sitivi IPS (Intelligent Power Switch),tipicamente Mosfet da usare in configu-razione High Side Driver (Fig. 3), chebene si sposano per questo tipo di appli-cazioni. Realizzati tramite la tecnologia

Fig. 4 – VN5010AK che pilota una lam-pada a scarica

62

Fig. 5 – Curva I-t di un fusibile da 25 A

ELETTRONICA OGGI 363 - GENNAIO 200764

ApplicazioniAUTO IC

di potenza intelligente VIPower l’ultimagenerazione di tali componenti, inaggiunta alle protezioni tipiche, offre leseguenti caratteristiche:- Gestione attiva delle correnti di in-rushtramite ‘Power Limitation’- Corrente di Limitazione- Bassissimi consumi stand-by- Compatibilità coi livelli logiciCmos/TTL- Current Sense per monitorare la cor-rente di Carico- Protezione termica- Disconnessione di ground e batteria

- Conformità alla specifica AutomotiveISO 7637. Questi dispositivi, oltre a trovare un dif-fuso utilizzo nel pilotaggio delle lampa-de a filamento (dall’indicatore di dire-zione all’abbagliante), recentementesono stati considerati per applicazionicome quella appena analizzata.Il profilo DC di un modulo per lampadaa scarica è abbastanza oneroso per uninterruttore a stato solido: picchi elevatidi corrente (accensione) e valorimedio/alti di potenza erogati (durante ilpre-regime), unite a condizioni estreme

applicative come la temperatura am-biente a 85°C, impongono ai costruttoridi elettronica l’utilizzo di dispositivi abassa Rdson.Opportuni sistemi di simulazione, checonsiderano i diversi tipi di worst-casesia relativi al dispositivo (spread tecno-logici) sia a quello applicativo (tempera-tura ambiente - spread di batteria), per-mettono di abbinare il corretto disposi-tivo a un certo profilo di corrente. Infigura 4 è mostrata la capacità di portarecorrente e l’andamento della temperaturadi giunzione, di un VN5010AK-E; anchecon un profilo di corrente oneroso(accensione 48A, pre-regime 13A, regi-me 4A) il dispositivo non attiva la prote-zione di temperatura (tipicamente cen-trata su 175°C, con spread minimogarantito di 150°C) riuscendo a pilotareil ballast anche nelle condizioni applica-tive peggiori (Vbatt=9V, Tamb=85°C).Altra applicazione che richiede l’utilizzodi IPS, aventi bassa Rdson, è quella del‘Power Management’ in ambito automo-tive: dietro il nome non si nasconde,come nel caso di una lampada a fila-mento, un carico standard bensì unatotalità di carichi. Si applica il concettonei casi in cui sia richiesta un’alimenta-zione protetta per un intero modulo,simile a quanto avviene per il ballast, alcui interno risiedono differenti tipi dicarichi (come nel caso di BCM- BodyControl Module dove, assieme al pilo-taggio delle lampade della macchina, sitrovano attuatori per spazzole tergicri-stallo o chiusure centralizzate). Beneficiderivanti dall’utilizzo di tali dispositivi èla parziale rimozione dei fusibili, com-ponenti che presentano i seguenti svan-taggi:- Il loro intervento è funzione della tem-peratura (curva I-t di un fusibile da 10A,Fig. 5)

Fig. 6 – Il componen-te VAPM1203 diSTMicroelectronics

Fig. 7 – Protezione contro le sovracor-renti di VAPM1203

ELETTRONICA OGGI 363 - GENNAIO 2007 65

AUTO ICApplicazioni

- Il tempo di risposta del fusibile è variabile da un pezzo all’al-tro- L’apertura del componente prevede la sostituzione dello stes-so- Il dimensionamento del fusibile deve esser fatto tenendoconto della corrente di in-rush che, tipicamente, è dieci voltemaggiore di quella nominale (per una lampada a incande-scenza) o cinque/sette nel caso di un motore.L’idea alla base del Power Management è quella di sostituirealcuni fusibili con dispositivi a stato solido e, con un’opportu-na logica di controllo, implementare sofisticate strategie diover-current. La rimozione del fusibile da una linea, la cui fun-zione è quella di proteggere il cavo di alimentazione, deveessere accuratamente analizzata: il cavo non deve mai supera-re la propria curva I-t, che determina la sua area corretta difunzionamento, per evitare un innalzamento elevato della suatemperatura e quindi un potenziale pericolo di fiamme nellamacchina.Per indirizzare questo particolare tipo di applicazioniSTMicroelectronics ha realizzato il VAPM1203 (Fig. 6). Realizzato mediante una tecnologia ibrida di assemblaggio, inconfigurazione ‘chip by chip’, esso si compone di un doppioMosfet da 3mohm per canale, e un dispositivo di controllo rea-lizzato in tecnologia VIPower. In aggiunta alle tipiche caratte-ristiche degli IPS, così come precedentemente elencato, ildispositivo presenta due ulteriori funzioni: protezione all’in-versione della batteria, con conseguente ri-accensione delPowerMos, e una strategia di controllo interna che imple-menta un’innovativa protezione over-current (Fig. 7).La filosofia dietro tale controllo è quella di ridurre il valore dicorrente di limitazione secondo la durata dell’over-load: più èlunga la durata dell’impulso, più è basso il valore della corren-te di limitazione. Si viene così a creare una ‘maschera’ di cor-rente che ricalca la caratteristica I-t del cavo; tale curva di con-trollo può essere modificata, tramite resistenza esterna, inmodo da cambiare forma adattandolo a differenti tipi di cavi. Un beneficio derivante da questo controllo consiste nel fattoche non sono più richieste risorse da parte di un micro, pre-sente nella board, per l’implementazione dell’algoritmo di con-trollo (tipicamente tramite controllo SPI); è così alleggerito ilcarico di informazioni gestito dal ∝C. Inoltre si evita di affidare a un bus esterno digitale, basato suprotocollo sincrono, la gestione di una funzione assai delicata:è quindi un elemento in meno da considerare nelle analisi ditipo FMEA (Failure Mode and Effect Analysis). ✍

STMicroelectronicsreaderservice.it n. 9

nZB è un dispositivo che implementa una rete di sensori wireless secondo lo standard IEEE 802.15.4 e/o ZigBee. I dispositivi hanno dimensioni estremamente ridotte e possono essere usati in modalità stand alone (es active RFID) o saldati direttamente su scheda. Il basso costo ed i consumi molto ridotti rendono il modulo adatto ad impieghi nel campo della sensoristica e della termoregolazione. Connessione tra rete wireless e PC mediante plug-in USB o Ethernet.

Applicazioni: piccole reti per l’automotive, l’industria e la domotica.

SAEE SrlVia Solari 7, 33020 Amaro (UD) - Italy Tel +39-433-468625 - Fax +39-433-494739info@saee.com - www.saee.com

Wireless sensor

• Sistemi embedded custom

• Single board computer

• Elaborazione e trasmissione Video

E’ necessario controllare la temperatura ambientale?nZB con tecnologia wireless ZigBee

Member of:

readerservice.it n. 16041