Garantir la sécurité automobile à l'aide d'inductances haute fiabilité

Les systèmes d'aide à la conduite (ADAS) et les systèmes de conduite automatisée (ADS) sont des systèmes de conduite automobile autonomes critiques pour la sécurité, constitués d'un ou de plusieurs processeurs avancés qui prennent des décisions critiques en fonction des entrées de plusieurs capteurs. Ces processeurs fonctionnent généralement à divers niveaux basse tension, mais peuvent consommer un courant de l'ordre de plusieurs dizaines d'ampères (A).

Des circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) sont utilisés pour fournir plusieurs tensions aux processeurs, mais ils requièrent des inductances haute fiabilité pour garantir une alimentation stable. Ces inductances doivent être capables de gérer des courants importants avec de faibles pertes de puissance à des fréquences de commutation de puissance jusqu'à 10 mégahertz (MHz). Les inductances doivent également être efficaces d'un point de vue volumétrique avec une empreinte carte compacte et une faible hauteur. Comme tous les composants des systèmes de conduite autonome, elles doivent répondre aux normes strictes de fiabilité et de sécurité requises par l'industrie automobile, telles qu'AEC-Q200.

Cet article décrit brièvement les exigences de traitement ADAS/ADS. Il présente ensuite des inductances de TDK qui ont été spécialement conçues pour cette application et montre comment leurs caractéristiques uniques peuvent contribuer à garantir une conception automobile robuste et sûre.

Systèmes de conduite autonome

Un système ADAS/ADS typique utilise un processeur spécialisé interfacé avec plusieurs capteurs pour prendre les décisions rapides nécessaires à la conduite autonome (Figure 1).

Figure 1 : Le processeur dans un système ADAS/ADS a besoin d'une alimentation basse tension fiable à des niveaux de courant élevés, fournie par un PMIC, afin de contrôler le véhicule en fonction des entrées des capteurs. (Source de l'image : EPCOS-TDK)

La tension de rail d'alimentation pour ces processeurs est généralement faible, environ 1 volt (V), mais les niveaux de courant peuvent être de l'ordre de dizaines d'ampères, ce qui sollicite le PMIC. Le convertisseur secondaire dans la Figure 1 utilise huit inductances de puissance avec le PMIC pour alimenter le processeur.

Les inductances de puissance sont des dispositifs passifs qui stockent l'énergie dans leurs champs électromagnétiques. Elles sont largement utilisées dans les circuits d'alimentation et les convertisseurs CC/CC. Utilisées avec le PMIC en tant que convertisseurs abaisseurs, les inductances de puissance sont des composants clés qui affectent les performances du processus de conversion de puissance (Figure 2).

Figure 2 : Schéma simplifié d'un convertisseur abaisseur unique mettant en évidence le rôle de l'inductance de puissance. (Source de l'image : EPCOS-TDK)

Un convertisseur abaisseur produit une tension de sortie inférieure à la tension d'entrée. Dans un convertisseur abaisseur, un commutateur est placé en série avec la source de tension d'entrée (V_IN). La source d'entrée alimente la sortie via le commutateur et un filtre passe-bas. Le filtre est implémenté avec une inductance de puissance et un condensateur de sortie. En régime permanent de fonctionnement lorsque le commutateur est activé pendant une période de T_ON, l'entrée commande la sortie, ainsi que l'inductance de puissance. Au cours de cette période T_ON, la différence des niveaux de tension entre V_IN et la tension de sortie (V_OUT) est appliquée à l'inductance dans le sens direct, comme illustré par la flèche « Switch ON ». Le courant d'inductance (I_L) augmente linéairement à I_peak.

Lorsque le commutateur est désactivé (T_OFF), le courant d'inductance continue de circuler dans le même sens en raison de l'énergie stockée de l'inductance qui continue à fournir du courant à la charge via la diode de commutation, comme illustré par la flèche « Switch OFF ». Au cours de cette période T_OFF, la tension de sortie V_OUT est appliquée à l'inductance dans le sens inverse, et le courant d'inductance diminue de la valeur I_peak. Il en résulte un courant ondulé triangulaire. L'amplitude du courant ondulé est liée à la valeur d'inductance de l'inductance de puissance. La valeur de l'inductance est généralement définie pour donner un courant ondulé de 20-30 % du courant de sortie nominal. La tension de sortie est proportionnelle au rapport cyclique du commutateur.

Si la charge augmente soudainement, il y aura une chute de tension de sortie, ce qui entraînera un courant de crête anormalement important à travers l'inductance de puissance sur une courte période pour charger le condensateur de sortie. La valeur de l'inductance de puissance affecte la réponse transitoire du convertisseur : de petites valeurs d'inductance accélèrent le temps de récupération et des valeurs plus élevées augmentent le temps de récupération.

Dans l'environnement automobile, ces inductances doivent répondre à des normes électriques et mécaniques très élevées. En premier lieu, il faut une haute fiabilité. La fiabilité et la qualité des composants passifs destinés à une utilisation dans les véhicules sont qualifiées selon des normes établies par l'Automotive Electronics Council (AEC). Les composants passifs sont qualifiés selon AEC-Q200, la norme mondiale de résistance aux contraintes que tous les composants électroniques passifs doivent respecter s'ils sont destinés à être utilisés dans l'industrie automobile. Les tests incluent la résistance aux chocs, aux vibrations, à l'humidité, aux solvants, à la chaleur de soudage, à la flexion de carte et aux décharges électrostatiques (DES). Les tests incluent également des tests de températures de -40°C à +125°C, avec une exposition à des extrêmes de température et au cyclage thermique.

Pour les applications automobiles, les inductances doivent avoir des dimensions compactes et être capables de fonctionner sur la plage de températures automobiles attendue. Cette dernière capacité requiert une faible résistance série pour minimiser la perte de puissance et l'augmentation de température. Les inductances doivent également pouvoir fonctionner à des fréquences de commutation de puissance dans la plage de 2 MHz à 10 MHz typiquement utilisée par les PMIC, et également être capables de gérer des charges transitoires élevées avec la possibilité de forts courants de saturation.

Inductances de puissance pour applications automobiles

Les inductances de puissance série CLT32 d'EPCOS-TDK sont conçues pour les applications ADAS/ADS et présentent une haute fiabilité, de forts courants nominaux, une faible résistance série, de forts courants de saturation et un format compact (Figure 3).

Figure 3 : Les inductances de puissance série CLT32 de TDK présentent une structure bobine/borne monobloc qui utilise un enroulement en cuivre épais sans connexions internes. Le matériau de moulage magnétique garantit une caractéristique de saturation douce. (Source de l'image : EPCOS-TDK)

Les inductances de puissance CLT32 sont formées autour d'un enroulement en cuivre épais monobloc avec une structure de borne intégrée. Cela signifie qu'il n'y a pas de connexions internes susceptibles de nuire à la fiabilité du fonctionnement. La bobine en cuivre épais maintient également la résistance série à un faible niveau de seulement 0,39 milliohm (mΩ) pour minimiser les pertes de puissance. La résistance plus faible se traduit également par une réduction de la chaleur générée sous charge.

La bobine est surmoulée avec un nouveau composé plastique ferromagnétique qui forme à la fois le noyau et le boîtier extérieur de la bobine. Le matériau du noyau présente d'excellentes caractéristiques électriques, même à hautes températures et dans les applications haute fréquence. Il convient de noter en particulier les faibles pertes de noyau. De plus, la capacité du matériau à être traité à basse pression et à basse température minimise les contraintes sur la bobine pendant la production.

Le matériau du noyau fournit une caractéristique de saturation douce par rapport aux matériaux de ferrite alternatifs. La variation d'inductance résultant de la saturation magnétique est exprimée en dérive de saturation, mesurée en pourcentage de variation d'inductance (Figure 4).

Figure 4 : En réponse à la saturation magnétique, le noyau CLT32 présente une faible dérive de saturation, fournissant une réponse douce. (Source de l'image : EPCOS-TDK)

Le matériau du noyau CLT32 permet de réduire sensiblement la variation de la valeur d'inductance due à la saturation, en particulier à hautes températures. Les courants de saturation maximum peuvent atteindre 60 A.

L'inductance complète tient dans un boîtier extra-plat de 3,2 millimètres (mm) x 2,5 mm x 2,5 mm. Ce haut rendement volumétrique signifie que plusieurs inductances peuvent être utilisées sans avoir à transférer la conception sur un circuit imprimé plus grand. Les inductances sont répertoriées pour fonctionner sur une plage de températures de -40°C à +165°C. Cette plage de températures dépasse les exigences de température de test AEC-Q200 maximum de 125°C, mentionnée ci-dessus.

Les inductances de puissance CLT32 de TDK sont disponibles dans des valeurs d'inductance s'étendant de 17 nanohenrys (nH) à 440 nH, comme indiqué dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Caractéristiques spécifiées des inductances de puissance CLT32 de TDK avec leur code de commande correspondant. Toutes les inductances sont logées dans un même boîtier extra-plat de 3,2 mm x 2,5 mm x 2,5 x 2,5 mm. (Source du tableau : EPCOS-TDK)

Comme indiqué dans le tableau, R_DC est la résistance série de l'inductance. Notez qu'elle évolue avec la valeur d'inductance en raison du plus grand nombre de tours requis pour une inductance plus élevée. I_SAT est le courant de saturation basé sur la réduction de la valeur d'inductance due à la saturation, qui évolue inversement avec l'inductance. I_temp est le courant nominal maximum, basé sur l'augmentation de la température dans le boîtier. I_temp est également inversement proportionnel à la valeur d'inductance.

Les pertes dans une inductance de puissance incluent les pertes CC proportionnelles à la résistance série de la bobine. Il y a également les pertes CA dues à l'effet pelliculaire, les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault. Les pertes CA par courants de Foucault sont liées au matériau du noyau.

Par rapport aux technologies alternatives, comme les inductances à couches minces ou composites métalliques, les inductances CLT32 présentent une perte de puissance de courant ondulé plus faible (Figure 5).

Figure 5 : Les inductances de puissance CLT32 présentent une perte de puissance de courant ondulé inférieure à celle des technologies d'inductances à couches minces ou composites métalliques. (Source de l'image : EPCOS-TDK)

De faibles pertes d'ondulation CA signifient que des courants ondulés plus élevés peuvent être tolérés, permettant des valeurs de capacité plus faibles dans les convertisseurs CC/CC.

Des pertes plus faibles se traduisent également par un rendement supérieur par rapport aux autres types d'inductances (Figure 6).

Figure 6 : La comparaison des performances des inductances de puissance dans un convertisseur abaisseur à sortie simple montre le rendement supérieur des inductances de puissance CLT32. (Source de l'image : EPCOS-TDK)

À faibles charges, les pertes de noyau dominent le rendement de l'inductance de puissance. Une charge plus élevée réduit le rendement en raison des pertes résistives. Dans tous les cas, les inductances de puissance CLT32 constituent une meilleure solution que les technologies alternatives.

Conclusion

Les concepts de développement innovants intégrés aux inductances de puissance série CLT32 de TDK permettent un format plus compact et de meilleures performances électriques que les technologies concurrentes tout en garantissant une plus haute fiabilité. Grâce à leur plage de températures étendue et à leur large plage de fréquences, ces inductances sont idéales pour une utilisation dans les conceptions ADAS/ADS nouvelle génération.