Auto e semiconduttori.

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Potenza

Se da una parte i microcontrollori si sono costituiti in una rete, dall’altra essi devono poter pilotare gli organi che attuano le funzioni da controllare. I circuiti integrati di potenza intelligente sono componenti chiave dei sistemi dell’auto perché rappresentano l’interfaccia tra i processori e l’hardware del mondo reale: motori, solenoidi, fari e altoparlanti. Su questo fronte l’elettronica di potenza si sta ormai sostituendo agli attuatori elettromeccanici, leggi relays, offrendo, rispetto a questi ultimi, vantaggi indubitabili per molti aspetti: affidabilità, compattezza e capacità diagnostica. I MosFET di potenza di vecchia memoria si sono espressamente specializzati per le applicazioni automotive e diventano intelligenti avendo integrato on chip varie funzioni aggiuntive; un esempio per tutti il dispositivo VNQ05XSP16 della famiglia VIPower, da poco presentato da ST Microelectronics che include le funzioni ormai pressoché standard di questi dispositivi di pilotaggio.
Questo componente, che nasce espressamente per essere integrato in una unità di controllo luci auto, include in un solo package quattro MosFET in grado di pilotare 2,5A continui, ognuno verso carichi collegati a ground (da qui il nome “high side drive”). Ma come si nota dallo schema del dispositivo, i quattro MosFET si perdono tra i vari blocchi funzionali che li contornano e che si possono descrivere come segue:
– protezione termica: in caso di eccesso di dissipazione e quindi di aumento della temperatura del dispositivo, un circuito provvede a mettere il MosFET in stato di non conduzione, – protezione da sovratensione: lo stesso avviene nel caso in cui la tensione di alimentazione dovesse eccedere il massimo consentito, proteggendo così il carico da possibili danni,
– limitazione di corrente: nel caso di un corto sul carico, il circuito si protegge da eventuali danni di sovracorrente,
– capacità di diagnostica: nel caso del VNQ05XSP16 attraverso il controllo di due pin si può accedere alla misura dello stato di ognuno dei quattro canali pilotati dai transistori, consentendo così di diagnosticare ogni singolo per canale.
Si riconferma quindi quanto detto all’inizio: maggiore integrazione e quindi riduzione del numero di componenti, con costi conseguentemente minori, migliore affidabilità intrinseca nei dispositivi a semiconduttore e migliore capacità di diagnostica con evidente aumento della sicurezza intrinseca delle unità in cui sono utilizzati.

I sensori

I sensori sono il ponte tra il mondo analogico che ci circonda ed il mondo digitale che provvede all’elaborazione delle informazioni acquisite attraverso di loro; se sono a semiconduttore la loro integrazione diventerà sempre più facile e consentirà soluzioni sempre meno costose. Con l’elettronica che si sta sostituendo ai sistemi meccanici di controllo il mercato dei sensori sta crescendo ad una velocità eccezionale e l’auto è un esempio eclatante di questo fenomeno: le nuove vetture includono quasi sicuramente ogni tipo di sensore si possa immaginare e forse anche qualcuno in aggiunta. Tre i parametri fisici fondamentali che bisogna tenere sotto controllo: temperatura, pressione ed accelerazione, ma anche il rilevamento della posizione di organi meccanici in movimento è un’area importante. La misura della temperatura è stata, per lungo tempo, dominio dei termistori, resistenze con coefficiente di temperatura negativo, ma i sensori a semiconduttori, che sfruttano la dipendenza negativa dalla temperatura della giunzione di un diodo PN a corrente costante (circa -2,2mV/°C) sono ormai integrati con le altre funzioni di condizionamento del segnale: amplificazione e digitalizzazione. Come abbiamo visto nella sezione dedicata alla potenza in molti casi i sensori di temperatura sono già integrati nei dispositivi originali. L’effetto Hall domina ancora i sensori di movimento ed ha ormai provato la sua affidabilità in questo settore. Una visita al sito della Allegro Microsystem può essere utile sia per un’analisi dettagliata di questa tecnologia che per il data sheet dell’ATS660, uno degli ultimi prodotti presentati in questa famiglia. Oltre al sensore vero e proprio, il dispositivo incorpora un circuito di auto-calibrazione brevettato in grado di compensare, entro ampi limiti, le differenze di air-gap (distanza tra il sensore e l’organo meccanico) di installazione, le variazioni di temperatura e gli offsets magnetici, garantendo una elevata accuratezza di fase sia con elevati air-gaps che con ingranaggi a geometria molto fine. Il circuito di autocalibrazione si attiva ad ogni accensione del sensore ed è in grado di compensare variazioni meccaniche legate sia alle tolleranze che all’usura del target meccanico. Il modulo incorpora sia il circuito magnetico che un circuito integrato che include un sensore di Hall a doppio elemento, l’elettronica di trattamento del segnale ed uno stadio di uscita digitale che consente un interfacciamento diretto a microprocessori o logiche digitali. Ma il silicio si sta affacciando prepotentemente anche nel mondo dei sensori di accelerazione, grazie alla tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical System). Se sull’auto che guidate oggi molto probabilmente avete per il controllo dell’AirBag un micro-reed della Hamlin, la soluzione completamente a silicio, possibile oggi con la tecnologia prima richiamata, consentirà accuratezza ed affidabilità ancora superiore e la promessa di poter ridurre i costi a livello di sistema, essendo la tecnologia MEMS compatibile con le tecnologie a semiconduttore.
Con le normali tecniche di mascheratura e di hetching tipiche del silicio ,viene costruita una struttura elastica sospesa sulla superficie del chip di silicio che, sollecitata dall’accelerazione impressa al dispositivo lungo l’asse di sensibilità, fa cambiare le capacità dei condensatori costruiti tra la struttura fissa della base e l’armatura mobile costruita sulla struttura elastica.
I dispositivi oggi disponibili possono misurare da pochi mg (millesimi di g ovvero dell’accelerazione di gravità = 9,81 m/sec2) a più di 60g e spesso in ogni dispositivo sono integrati due sensori tra loro ortogonali. I cataloghi prodotto di Analog Devices, Motorola, AMS, VTI (del gruppo Hamlin) e, probabilmente tra breve, anche ST Microeletronics che sta attivamente lavorando sulla tecnologia, sono in costante arricchimento.

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