Come risolvere le difficoltà di progettazione dell’isolamento ad alta temperatura con AEC-Q100 Grado 0

A mano a mano che l’industria automobilistica passa ai sistemi a 48 V sui veicoli elettrici ibridi (HEV), la necessità di isolamento del segnale per le reti all’interno del veicolo diventa sempre più fondamentale. Le caratteristiche e i vantaggi di tensioni superiori risultano sensibilmente ridotte in assenza di una protezione affidabile ed efficace per i circuiti a bassa tensione.

Tuttavia, comprendere la necessità di isolare i segnali dagli eventi ad alta tensione sui veicoli a 48 V è solo una parte della questione. A differenza dei veicoli elettrici puri (EV), gli HEV utilizzano i tradizionali motori a combustione (ICE) in aggiunta ai sistemi a batteria. Gli ICE producono temperature elevate, spesso superiori a 125 °C. Per funzionare in modo affidabile in tali ambienti, i sistemi automobilistici (e i componenti che li costituiscono) devono essere in grado di resistere a temperature elevate, come indicato dallo standard AEC-Q100 «Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Packaged Integrated Circuits» dell’Automotive Electronics Council.

Temperature fino a 150 °C in un sistema HEV/EV? Non è il caso di scaldarsi.

Il primo isolatore digitale conforme ad AEC-Q100 Grado 0 nel settore, il ISO7741E-Q1, permette di risparmiare tempo, denaro e spazio nella progettazione di progetti automotive con temperatura ambiente d’esercizio che possono superare i 125 °C.

Che cos’è lo standard AEC-Q100?

Lo standard AEC-Q100 indica le specifiche tecniche che devono essere soddisfatte dai circuiti integrati (IC) progettati per l’impiego in sistemi automobilistici per garantire un funzionamento affidabile. Poiché i sistemi automobilistici sono spesso sottoposti a variazioni di temperatura, una specifica fondamentale dello standard AEC-Q100 è l’intervallo di temperature ambiente d’esercizio di un circuito integrato. Lo standard AEC-Q100 delinea gli intervalli di temperature d’esercizio per i circuiti integrati qualificati per il settore automobilistico sulla base di diversi gradi di temperatura, come mostrato nella Tabella 1.

Grado Intervallo di temperature ambiente d’esercizio
Grado 0 (oppure A) da -40 °C a +150 °C
Grado 1 (oppure Q) da -40 °C a +125 °C
Grado 2 (oppure T) da -40 °C a +105 °C
Grado 3 (oppure I) da -40 °C a +85 °C
Grado 4 (oppure C) da -40 °C a +70 °C

Tabella 1: Gradi automobilistici come definiti da AEC-Q100

Essendo l’intervallo di temperature più ampio definito da AEC-Q100, i dispositivi di Grado 0 sono progettati tipicamente per l’uso in sistemi ad alta temperatura, come gli HEV a 48 V, poiché questi veicoli possono raggiungere occasionalmente temperature superiori a 125 °C poiché utilizzano motori a combustione interna.

Poiché gli EV non sono dotati di motore a combustione interna, la temperatura ambiente l’esercizio solitamente non supera i 125°C nella maggior parte dei casi, pertanto i dispositivi classificati in Grado 1 risultano sufficienti.

Protezione di circuiti a bassa tensione con isolatore digitale di Grado 0

È possibile considerare alcuni casi d’uso per illustrare meglio i vantaggi del Grado 0 nell’isolamento di segnali di rete all’interno dei veicoli, concentrandosi in particolare sugli isolatori digitali. Gli isolatori digitali sono usati solitamente fra i diversi domini di tensione (ad es. 48 V e 12 V) per proteggere i circuiti sul lato a bassa tensione dal lato ad alta tensione e ridurre l’impatto del rumore di modo comune ad alta tensione sui segnali del lato a bassa tensione. La nota applicativa «Come soddisfare i requisiti di temporizzazione di CAN FD in sistemi CAN isolati per HEV/EV» descrive come isolare le comunicazioni CAN FD in sistemi HEV/EV.

Il motorino di avviamento/generatore mostrato in Figura 1 è l’esempio di un caso in cui un isolatore digitale in Grado 0, come il ISO7741E-Q1, è in grado di ridurre la complessità del progetto aumentando la protezione del segnale in un ambiente ad alta temperatura. In un motorino di avviamento/generatore, un isolatore digitale e un transceiver di Grado 0 Controller Area Network Flexible Data Rate (CAN FD), come il TCAN1044EV-Q1, è in grado di trasferire i dati dal lato a 48 V al lato a 12 V di un sistema. L’impianto elettrico a 48 V è posto nelle immediate vicinanze del motore a combustione interna; pertanto, qualsiasi aumento della temperatura sull’impianto a 48 V ha effetto sull’isolatore che si trova sul limite dell’interfaccia fra i lati a 48 V e 12 V. La temperatura di questi sistemi supera i 125 °C arrivando fino a 150 °C per un breve periodo, solitamente limitato dal profilo di missione o dal profilo di temperatura d’esercizio, che varia a seconda del costruttore del veicolo.

Figura 1: Isolatore digitale a protezione del lato a bassa tensione di un impianto per motorino di avviamento/generatore a 48 V.

Altre applicazioni che possono trarre vantaggio da isolatori digitali per grado di temperatura superiore sono, ad esempio, pompe per l’acqua, ventole di raffreddamento, sensori di fuliggine e inverter di trazione sui veicoli HEV a 48 V. La maggior parte di questi sistemi utilizza isolatori digitali, insieme ad un transceiver (nella maggior parte dei casi, protocolli di comunicazione CAN, CAN FD o Local Interconnect Network/LIN), come interfaccia di comunicazione. La Figura 2 mostra un modulo compressore per riscaldamento, ventilazione e climatizzazione (HVAC) con un isolatore utilizzato per la comunicazione fra la MCU sul lato ad alta tensione e la scheda di interfaccia di comunicazione sul lato a bassa tensione.

Figura 2: Isolatore digitale a protezione del lato a bassa tensione di un modulo compressore per HVAC a 48 V.

Se l’isolatore digitale viene utilizzato a temperature superiori a questo limite operativo, le conseguenze potrebbero essere un degrado delle specifiche di temporizzazione del sistema o l’assenza di comunicazione, se l’isolatore smette di funzionare. Entrambi questi casi sono situazioni indesiderabili per un sistema critico come il motorino di avviamento/generatore. Il metodo standard per assicurare la comunicazione in ogni momento consiste nell’utilizzo di sistemi di raffreddamento a liquido e ad aria che riducano il calore e mantengano le temperature dei circuiti integrati al di sotto dei relativi limiti di funzionamento. Tuttavia, la progettazione per includere complessi sistemi di raffreddamento ad aria può comportare un aumento dei costi, degli ingombri e dei pesi del sistema di raffreddamento progettato. L’utilizzo di circuiti integrati che soddisfino temperature ambiente d’esercizio superiori riduce il carico sui sistemi di raffreddamento, rendendoli più semplici e più efficienti dal punto di vista dei costi.

La maggior parte degli isolatori digitali qualificati per il settore automobilistico, compreso il ISO7741-Q1, soddisfa i requisiti dell’intervallo di temperatura Grado 1 da -40 °C a 125 °C, che risulta idoneo per molte applicazioni automobilistiche. Tuttavia, in sistemi ad alta temperatura, simili ai casi d’uso analizzati in questo articolo, i dispositivi in Grado 0, come ISO7741E-Q1 offrono ai progettisti di veicoli HEV/EV una soluzione di isolamento digitale alternativa in grado di ridurre la distinta base e il time to market, senza compromettere le prestazioni del sistema.

Risorse supplementari

 

A cura di Neel Seshan, ISO Marketing Manager.

Post correlati

Commenta questo articolo