Utiliser des circuits intégrés spécifiques aux applications pour simplifier la conception d'électronique de portière automobile

D'ici à 2030, l'électronique représentera 50 % du coût d'un véhicule. Cette évolution concerne notamment l'électronique des portières de voiture. La conception électronique de portière est un défi ; chaque portière requiert un contrôleur, des émetteurs-récepteurs CAN (Controller Area Network) ou LIN (Local Interconnect Network) pour les connexions avec les autres systèmes du véhicule, plusieurs variateurs moteurs et des régulateurs de tension. Ces dispositifs et réseaux peuvent être complexes, coûteux, lourds, et longs à concevoir. C'est la raison pour laquelle les concepteurs cherchent à simplifier les applications et à rationaliser la nomenclature (BOM).

Les produits standard spécifiques aux applications (ASSP) conçus pour les applications automobiles facilitent la tâche du concepteur. De plus, ces solutions permettent au concepteur de tirer parti d'une approche centralisée ou décentralisée en matière d'électronique de portière selon la complexité des contraintes de conception et de coût.

Cet article décrit l'évolution des systèmes électroniques de portière en réseau, et explique les avantages et les inconvénients respectifs des approches centralisées et décentralisées. L'article étudie ensuite l'utilisation des produits ASSP pour faciliter la conception d'une unité de contrôle de la carrosserie (BCU) dans le cadre d'une conception centralisée ou de plusieurs unités BCU propres à chaque portière dans le cadre d'une approche décentralisée. L'article analyse également l'intégration de ces approches dans le réseau embarqué d'un véhicule (IVN) à l'aide de solutions CAN et LIN. Les solutions d'ON Semiconductor sont utilisées en tant qu'exemples.

Évolution des composants électroniques et des fonctions réseau automobiles

L'électronique automobile est née de la nécessité de gérer l'injection de carburant par des calculateurs moteurs (ECU) lorsque ceux-ci ont commencé à remplacer les carburateurs dans les années 1970. Depuis, les composants électroniques se sont multipliés. Aujourd'hui, un véhicule de qualité intègre des systèmes électroniques complets pour contrôler quatre zones clés :

• Le groupe motopropulseur (contrôle du moteur, contrôle de la transmission, démarreur/alternateur)
• La carrosserie et le confort (éclairage, CVC, siège et portière, télédéverrouillage)
• La sécurité (ABS, direction assistée, airbag, aide à la conduite)
• L'infodivertissement (navigation, audio, multimédia, connectivité cellulaire, Bluetooth, télématique, tableau de bord)

Chacun de ces systèmes utilise des modules de calcul dédiés avec des modules individuels connectés via un réseau embarqué basé sur une technologie CAN et/ou LIN.

La technologie CAN est une norme de bus de véhicule conçue pour permettre à des modules de calcul et à des capteurs/actionneurs de communiquer sans avoir recours à un ordinateur hôte. Elle privilégie les connexions, c'est-à-dire que si plusieurs dispositifs transmettent des données simultanément, les données les plus importantes sont privilégiées pour éviter tout conflit et pour garantir que les fonctions essentielles ne sont pas retardées. Utiliser la technologie CAN pour connecter tous les composants électroniques d'un véhicule coûte trop cher. C'est la raison pour laquelle la technologie LIN est souvent utilisée en complément afin d'ajouter tous les dispositifs au réseau embarqué, car elle utilise une technologie de liaisons série moins complexe et moins coûteuse pour des fonctions qui ne présentent pas de contrainte de temps et qui sont généralement associées au confort du passager.

Cet article étudie les systèmes électroniques associés à la portière d'un véhicule. Comme pour toutes les autres parties de la voiture, l'utilisation de l'électronique dans les portières s'est développée pour améliorer le confort du conducteur.

La plupart des voitures actuelles comportent des vitres, des systèmes de verrouillage et des miroirs contrôlés électroniquement. Plus récemment, des fonctionnalités telles que la protection contre le pincement ont été intégrées. Les véhicules de luxe incluent des options de dégivrage des rétroviseurs de portière, des feux montés sur les rétroviseurs et un éclairage intérieur de portière. La prochaine génération de modèle haut de gamme intégrera une commande de rétroviseur électrochromique qui assombrira les rétroviseurs latéraux selon la luminosité des feux des autres véhicules en circulation.

Contrôle électronique automobile décentralisé par rapport à centralisé

Actuellement, la topologie centralisée pour l'électronique de portière est l'approche la plus répandue, notamment pour des véhicules peu coûteux avec des fonctionnalités de portière limitées. L'unité de contrôle de la carrosserie, qui est un module comprenant des systèmes de réseau embarqué, un microprocesseur, des circuits d'attaque d'actionneur et des composants discrets, est connectée aux actionneurs de chaque portière par des fils transmettant l'alimentation et par des fils distincts utilisés pour les communications CAN ou LIN. Les avantages clés de cette approche sont le prix (une seule unité de contrôle de la carrosserie est nécessaire) et l'évolutivité (Figure 1).

Figure 1 : Un système électronique de portière centralisé permet de faire des économies en utilisant une seule unité de contrôle de la carrosserie. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Cependant, la topologie centralisée n'est pas à privilégier pour des véhicules haut de gamme, car ces derniers nécessitent un niveau de fonctionnalités bien plus élevé, ce qui implique davantage de fils. Par conséquent, les faisceaux de fils deviennent lourds, complexes et coûteux.

La solution consiste à utiliser une approche décentralisée, où chaque portière dispose de sa propre unité de contrôle de la carrosserie. Lors de l'implémentation, la plupart des fils sont localisés avec une seule alimentation requise pour toute l'unité de contrôle de la carrosserie (qui distribue ensuite l'alimentation localement aux actionneurs de portière) et une connexion CAN et/ou LIN qui s'étend au reste du véhicule. Les avantages clés sont la réduction importante du poids, de la complexité et des coûts des faisceaux de fils, ainsi que la flexibilité de conception de l'unité de contrôle de la carrosserie qui peut s'adapter à la portière spécifique pour laquelle elle est conçue. Par exemple, les unités de contrôle de la carrosserie avant nécessitent des fonctionnalités supplémentaires pour actionner les rétroviseurs de portière (Figure 2).

Figure 2 : Un système décentralisé réduit le poids et la complexité des faisceaux de fils. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Même si la topologie décentralisée devient de plus en plus populaire, rien n'indique que l'approche centralisée disparaît. Le choix de l'une des deux méthodes de conception est principalement déterminé par le compromis entre le coût et la complexité des faisceaux de fils.

Les fournisseurs offrent des solutions qui permettent de simplifier les solutions décentralisées ou centralisées. Par exemple, ON Semiconductor fournit une vaste gamme de circuits ASIC, de produits ASSP et de composants discrets pour l'électronique de portière. Les concepteurs sont ensuite libres de choisir le microcontrôleur qu'ils préfèrent (Figure 3).

Figure 3 : ON Semiconductor fournit plusieurs solutions ASIC, ASSP et discrètes pour les unités de contrôle de la carrosserie décentralisées et centralisées, ce qui permet au concepteur d'être libre de choisir son microcontrôleur préféré. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Réseaux embarqués

Peu importe que les concepteurs choisissent une conception centralisée ou décentralisée pour le contrôle de l'électronique de portière, ils devront s'assurer que l'unité de contrôle de la carrosserie est intégrée dans le réseau embarqué. La connectivité CAN est simplifiée par l'association d'un contrôleur CAN et d'un émetteur-récepteur CAN formant l'interface entre le contrôleur et le bus physique. Les exemples d'émetteurs-récepteurs CAN adaptés aux applications automobiles incluent notamment le dispositif CAN haute vitesse 1 mégabit par seconde (Mb/s) NCV7341D21R2G d'ON Semiconductor. Cette puce contient un récepteur différentiel présentant une plage de mode commun élevée pour une immunité électromagnétique (EMI) dans les environnements automobiles difficiles. De plus, les broches du bus de la puce sont protégées contre les surtensions transitoires pouvant perturber les systèmes électriques automobiles (Figure 4).

Figure 4 : Schéma d'application typique de l'émetteur-récepteur CAN NCV7341D21R2G avec un contrôleur CAN de 5 V. L'émetteur-récepteur constitue un bon choix pour connecter le réseau embarqué aux systèmes de portière automobile décentralisés ou centralisés. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Un système décentralisé nécessite non seulement une connectivité CAN au réseau embarqué, mais également une connectivité LIN entre les unités de contrôle de la carrosserie avant et arrière, comme illustré à la Figure 2. L'unité de contrôle de la carrosserie de la portière avant est connectée à l'émetteur-récepteur CAN, mais, pour limiter les coûts et le câblage, l'unité de contrôle de la carrosserie arrière est connectée en chaîne à l'unité de contrôle de la carrosserie avant via un émetteur-récepteur LIN. Un émetteur-récepteur LIN comprend un seul fil sur chaque nœud, ce qui simplifie le câblage et réduit le coût. Même si la capacité est limitée à 20 kilobits par seconde (Kb/s) maximum, cela convient au contrôle de dispositifs tels que les systèmes de verrouillage de portière, les vitres et les rétroviseurs de portière.

L'émetteur-récepteur LIN NCV7321D12R2G d'ON Semiconductor constitue un bon choix pour la connectivité LIN des systèmes électroniques montés sur portière. La puce intègre un émetteur LIN, un récepteur LIN, des circuits de réinitialisation à la mise sous tension (POR), un blocage thermique et quatre modes de fonctionnement (hors tension, attente, normal et veille). Les modes sont déterminés par la tension d'alimentation (V_BB, 5 V à 27 V), les signaux d'entrée Enable (EN) et WAKE, et l'activité sur le bus LIN. L'émetteur-récepteur est optimisé pour une capacité maximale et présente de bonnes caractéristiques EMI en raison de la faible vitesse de balayage de la sortie LIN.

La topologie LIN utilise un seul nœud maître contrôlant une série de jusqu'à 16 nœuds esclaves. Dans un système décentralisé, les unités de contrôle de la carrosserie avant et arrière intègrent un nœud maître, tandis que les unités périphériques telles que les panneaux de commande de vitre intègrent des nœuds esclaves, comme illustré à la Figure 2. Le nœud maître associe l'émetteur-récepteur LIN à un microcontrôleur adéquat (Figure 5).

Figure 5 : Schéma de l'application typique de l'émetteur-récepteur LIN NCV7321D12R2G dans une configuration de nœud maître. Chaque nœud maître peut contrôler jusqu'à 16 nœuds esclaves. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Circuits d'attaque d'actionneur de portière

Les autres composants clés des unités de contrôle de la carrosserie pour les topologies décentralisées ou centralisées sont les circuits d'attaque d'actionneur requis pour alimenter les systèmes de verrouillage de portière, les rétroviseurs, les vitres et d'autres systèmes. ON Semiconductor offre le dispositif NCV7703CD2R2G, un circuit d'attaque en demi-pont triple conçu spécifiquement pour la commande de mouvement automobile et industrielle de ces applications. Ces trois circuits d'attaque en demi-pont peuvent être contrôlés indépendamment via une interface périphérique série (SPI) standard et fournir une sortie typique de 500 milliampères (mA) et maximum de 1,1 ampère (A). Cette puce peut être alimentée avec une tension d'alimentation de 3,15 V à 5,25 V et une tension de charge de 5,5 V à 40 V.

La température maximale de la puce représente une restriction de conception importante. La température de la puce ne doit pas dépasser 150°C même si cela place une limite sur combien des trois circuits d'attaque du dispositif peuvent être utilisés simultanément.

La commande d'attaque de sortie (et la signalisation des défaillances) est gérée par le port SPI. Une fonction EN fournit un mode veille à faible courant de repos lorsque le dispositif n'est pas utilisé, et une résistance d'excursion basse est fournie au niveau des entrées EN, SI et SCLK pour garantir leur passage à un état bas par défaut dans le cas d'un signal d'entrée interrompu.

L'utilisation du circuit d'attaque en demi-pont triple NCV7703CD2R2G dans un système de positionnement de rétroviseur de portière est illustrée à la Figure 6. Dans cette configuration, la sortie des trois circuits d'attaque en demi-pont alimente les deux moteurs électriques utilisés pour orienter le rétroviseur dans les directions X et Y.

Figure 6 : Schéma fonctionnel du circuit d'attaque en demi-pont triple NCV7703CD2R2G d'ON Semiconductor dans une application de réglage de position de rétroviseur, qui illustre la façon dont la sortie des trois circuits d'attaque en demi-pont alimente les deux moteurs électriques utilisés pour orienter le rétroviseur dans les directions X et Y. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Un seul microprocesseur peut être utilisé pour contrôler plusieurs circuits d'attaque en demi-pont triples NCV7703CD2R2G, ce qui limite la nomenclature de l'électronique de portière. Pour ce faire, le moyen le plus efficace consiste à faire fonctionner les circuits d'attaque en parallèle avec chaque dispositif contrôlé dans une configuration multiplexée.

Dans une configuration série, les informations de programmation pour le dernier dispositif de la chaîne en série doivent d'abord passer par tous les dispositifs qui le précèdent. Une topologie de contrôle parallèle élimine cette exigence, mais implique un choix de processeurs restreint pour un dispositif présentant des broches de sélection de circuit (CSB) pour chaque circuit d'attaque. Les données série ne sont alors reconnues que par le dispositif qui est activé via sa broche CSB respective (Figure 7).

Figure 7 : Le coût de la nomenclature pour l'électronique de portière peut être réduit en utilisant un seul microprocesseur pour contrôler plusieurs circuits d'attaque en demi-pont triples. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le circuit d'attaque en demi-pont triple NCV7703CD2R2G exige une régulation de 5 V au niveau de son entrée d'alimentation pour un fonctionnement interne. Le régulateur de tension linéaire NCV8518BPWR2G d'ON Semiconductor constitue une bonne option pour répondre à cette exigence. La puce fournit une sortie fixe de 5 V et une régulation à ±2 %. Elle convient à une utilisation dans tous les environnements automobiles, et présente une faible chute de tension typique de 425 millivolts (mV) et un faible courant de repos de 100 microampères (µA). Les fonctionnalités de sécurité incluent le blocage thermique, la protection contre les courts-circuits et la capacité à gérer des transitoires jusqu'à 45 V. Le régulateur de tension linéaire peut également être utilisé pour alimenter le microprocesseur de l'unité de contrôle de la carrosserie (Figure 8).

Figure 8 : Le régulateur de tension linéaire NCV8518BPWR2G constitue un bon choix pour fournir une sortie de 5 V au circuit d'attaque de l'actionneur et au microprocesseur d'une unité de contrôle de la carrosserie. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le régulateur de tension linéaire NCV8184DR2G est une alternative pour les composants d'électronique de portière exigeant une option plus économique. La puce fournit une tension de sortie en tampon ajustable entre -3,0 V et 45 V, qui suit étroitement (±3,0 mV) l'entrée de référence. Sa tension de fonctionnement s'étend de 4,0 V à 42 V.

Le NCV8184DR2G présente une fonctionnalité utile dans une configuration conventionnelle : il peut survivre au court-circuit de la batterie de la voiture sans être endommagé (Figure 9). Cette puce peut également supporter un court-circuit de la batterie lorsqu'elle est alimentée par une alimentation isolée à une tension plus basse.

Figure 9 : Le NCV8184DR2G est une option économique pour la régulation de tension d'une unité de contrôle de la carrosserie et peut supporter un court-circuit de la batterie du véhicule. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Composants discrets

En plus des dispositifs monolithiques pour les réseaux embarqués, des circuits d'attaque d'actionneur et des régulateurs de tension, ON Semiconductor propose une gamme de composants discrets pour l'électronique de portière, comme les diodes Zener automobiles. Ces composants peuvent être utilisés pour protéger les puces sensibles dans les unités de contrôle de la carrosserie contre les pics de tension causés par des facteurs externes, tels que la foudre et les décharges électrostatiques (DES), via la suppression de tension transitoire (TVS). (Pour en savoir plus sur la protection de l'électronique automobile, consultez l'article « Une conception avec protection par diode TVS améliore la fiabilité du bus CAN » dans la bibliothèque d'articles de DigiKey.)

Une seconde application pour les diodes Zener, combinées à une résistance et à un transistor MOSFET, consiste à créer une base pour un régulateur de tension linéaire économique et compact. Un régulateur de tension linéaire peut être assemblé à partir de composants discrets, régulant la tension d'alimentation de la batterie d'un véhicule pour alimenter les circuits de pré-attaque et les circuits d'attaque des actionneurs (Figure 10). Une batterie automobile fournit environ 14 V alors que la tension d'alimentation (V_S) du circuit d'attaque en demi-pont triple NCV7703CD2R2G se situe entre 5,5 V et 40 V. Le régulateur de tension linéaire à diode Zener simple et économique maintient une tension stable pour l'électronique de portière pendant que la sortie de tension de la batterie de la voiture varie.

Figure 10 : Partie d'une unité de contrôle de la carrosserie d'électronique de portière illustrant un régulateur de tension linéaire assemblé à partir de composants discrets (mis en évidence). Le dispositif régule la tension de la batterie du véhicule (Vbat) à la tension d'alimentation (VS) requise pour les ponts de l'actionneur. (Source de l'image : ON Semiconductor)

La diode Zener SZBZX84C5V1LT3G d'ON Semiconductor convient à cette application. Il s'agit d'une diode Zener de grade automobile (AEC-Q101) fournie en boîtier SOT-23 compact. Ces dispositifs fournissent une régulation de tension avec des exigences d'espace minimum. La diode Zener présente une dissipation de puissance maximum de 250 milliwatts (mW) et une tenue en tension de claquage Zener de 2,4 V à 75 V, selon le composant sélectionné.

Le régulateur complet requiert une résistance pour limiter le courant circulant dans la diode Zener. La résistance doit être choisie de manière à laisser passer suffisamment de courant vers la charge et vers la diode Zener afin de permettre la régulation, mais pas beaucoup plus. Le régulateur Zener présente une impédance source élevée, car la totalité du courant de charge doit traverser la résistance de protection, ce qui restreint la quantité de courant que le régulateur peut fournir à la charge. Cette limitation est surmontée lors de la mise en tampon de la sortie de la diode Zener avec une source suiveuse telle que le MOSFET illustré à la Figure 10. (Pour en savoir plus, consultez l'article Maker.io « Zener Diode Regulator with Transistor Current Buffer ».)

Conclusion

L'électronique de portière devient de plus en plus complexe à mesure que les fabricants automobiles ajoutent plus de fonctionnalités à leurs véhicules. En raison de cette tendance, les ingénieurs rencontrent davantage de difficultés pour concevoir des systèmes qui répondent aux contraintes de coûts, de poids, d'espace et de fiabilité.

Comme illustré, les circuits ASIC, les produits ASSP et les composants discrets conçus pour répondre aux normes automobiles complémentaires simplifient les défis de conception et permettent une approche modulaire de la conception d'électronique de portière. Une telle approche permet de respecter plus facilement les spécifications et les contraintes de nomenclature tout en maintenant des performances et une fiabilité optimales.

Articles connexes

1. Une conception avec protection par diode TVS améliore la fiabilité du bus CAN
2. Zener Diode Regulator with Transistor Current Buffer