Automobilhersteller arbeiten derzeit nicht nur an klimafreundlichen Antriebstechnologien, sondern auch an einer möglichst umweltfreundlichen Ausstattung ihrer Fahrzeuge. Was Klimaanlagen von modernen Fahrzeugen angeht, schreibt eine EU-Richtlinie für alle neuen Pkws, die ab 2011 zugelassen werden, ein klimafreundliches Kältemittel vor. Das bisher von den meisten Automobilherstellern eingesetzte Kältemittel R134a weist einen zu hohen so genannten GWP-Wert (GWP = Global Warming Potential) auf und fällt somit weg. Als klimafreundliche Alternativen zeichnen sich die Kältemittel R1234yf (Tetrafluorpropen) oder auch R744 (CO2) ab. Ersteres lässt sich auf die vorhandene Klimaanlagentechnik direkt adaptieren, ist aber brennbar. Außerdem könnte sich bei einer Kollision stark ätzende Flusssäure bilden. Das Kältemittel R744 (CO2) hingegen ist unbrennbar und weist das geringste Treibhauspotenzial im Vergleich zu anderen Kältemitteln auf. Nachteil ist, dass die Umrüstung auf eine CO2-Klimaanlage mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist. So erfordert dieses Kühlmittel etwa einen fünffach höheren Systemdruck zur Kälteerzeugung.

Bild 1: Blockschaltbild einer ZSSC3170-Applikation.

Bild 1: Blockschaltbild einer ZSSC3170-Applikation.ZMDI

Für diese gesteigerten Anforderungen bei der Druckmessung in Kfz-Klimaanlagen bietet ZMDI mit dem ZSSC3170 eine neue Einchiplösung, die einen schnellen und präzisen Sensorauswerteschaltkreis mit einem robusten LIN-Transceiver vereinigt. Der ZSSC3170 erlaubt den Betrieb direkt am Bordnetz des Kraftfahrzeugs und ermöglicht somit die Entwicklung einer kompletten Sensorapplikation mit nur einem Schaltkreis. Beim Einsatz des ZSSC3170 lassen sich sowohl Bauteilekosten als auch Platz auf dem Board einsparen.
Der Schaltkreis arbeitet mit einem analogen Eingangsmessbereich von 1,8 bis 270 mV/V, der zu allen piezo-resistiven-, Metall-Dünnfilm- und Keramik-Dickfilm-Sensoren sowie zu DMS-Aufnehmern passt. Die LIN-Schnittstelle ermöglicht eine vereinfachte Eingliederung in ein bestehendes Subnetzwerk im Auto und weist eine ESD-Festigkeit von ±8kV auf. Die Anschlusspins für das fertige Sensormodul sind dabei verpolungs- sowie kurzschlussfest und weisen eine Spannungsfestigkeit bis 40 V auf. Das IC ist nach AEC-Q100 für den automobilen Einsatz qualifiziert.

Grundlagen der Signalkonditionierung

Resistive Sensorbrückenelemente, die auch in Drucksensoren zum Einsatz kommen, liefern eine differentielle Ausgangsspannung im Millivoltbereich, deren Kennlinie fehlerbehaftet ist in Bezug auf Nullpunkt, Steilheit und Linearität, aber die Kennlinie kann sich zusätzlich auch über den Temperaturbereich ändern. Ferner weist jedes Brückenelement durch Fertigungstoleranzen hinsichtlich Material und Gestalt seine eigene Kennliniencharakteristik auf. Darüber hinaus kann der Einbau in ein Gehäuse unterschiedliche mechanische Spannungen auf das Brückenelement ausüben.
Aufgrund dieser spezifischen Charakteristik muss jedes Brückenelement individuell kalibriert werden, um bei allen gefertigten Sensoren ein gleiches und reproduzierbares Ausgangssignal sicherzustellen.
Die Signalkonditionierung zur Anpassung dieser Charakteristik erfolgt schrittweise. Zuerst erfolgt eine grobe Verstärkung des analogen Eingangssignals sowie – falls notwendig – eine zusätzliche analoge Offsetkorrektur. Der digitalisierte Brückenwert wird im zweiten Schritt einer digitalen Feinkorrektur zugeführt. Dabei korrigiert das System Empfindlichkeit, Nullpunktfehler, Nichtlinearitäten bis zur 3. Ordnung sowie Temperaturabhängigkeiten (bis zur 2. Ordnung) des Brückenelementes.

Digitale Kalibrierung

Die digitale Verarbeitung der Messwerte im Schaltkreis reduziert den externen technischen Aufwand für die Kalibrierung auf ein Minimum. Während der Kalibrierungsphase erfasst das IC die Rohmesswerte des Brückensensorelementes über die I²C- oder LIN-Schnittstelle, indem es den Sensor mit einem Satz definierter Messgrößen beaufschlagt. Weitere Nichtlinearitäten des Nutzsignals erfasst das IC dabei automatisch, um sie dann in der nachfolgenden Korrektur im Digitalteil zu eliminieren.

Bild 2: Formatierungsmöglichkeiten beim ZSSC3170.

Bild 2: Formatierungsmöglichkeiten beim ZSSC3170.ZMDI

Aus den Rohmesswerten errechnet der Schaltkreis zunächst die für die digitale Feinkorrektur benötigten mathematischen Koeffizienten, anschließend hinterlegt er sie im EEPROM. Durch die rein digitale Kalibrierung sind keine externen Abgleichelemente erforderlich; zusätzliche Anschlusspins für die Kalibrierung sind ebenfalls nicht notwendig. Die komplette Sensorkalibrierung erfolgt am Ende der Fertigungslinie vollautomatisch, um auch zusätzliche mechanische Einflüsse auf das Brückenelement durch den Einbau in das Gehäuse zu erfassen und zu eliminieren. Am Ende der Kalibrierung wird das EEPROM gegen weiteren Zugriff geschützt, so dass eine erneute Programmierung über das LIN-Interface nicht mehr möglich ist. Durch diese Art der Kalibrierung besteht die Möglichkeit, Messsignale mit einer Genauigkeit von ±0,25% über den gesamten Messbereich hinweg auszugeben.

LIN-Schnittstelle und Konfiguration

Der ZSSC3170 enthält ein zum LIN-Standard 2.1, 2.0 und 1.3 konformes Protokoll, das Bitraten von 1 bis 80 KBit/s erlaubt. Damit lassen sich intelligente Sensoren aufbauen, die nicht nur einzelne Messwerte erfassen, sondern auch Fehler erkennen und kommunizieren. So kann beispielsweise die durch die Alterung des resistiven Brückenelementes verursachte Drift des Brückensignals überwacht, erkannt und an das übergeordnete Steuergerät kommuniziert werden.

Über das LIN-Interface des ZSSC3170 lassen sich im normalen Betrieb aber auch die Messwerte zweier unabhängiger physikalischer Größen übertragen – in dem anfangs erwähnten Beispiel wären dies Druck und Temperatur. Dem Endnutzer stehen dazu mehrere Formatierungsmöglichkeiten des digitalen Ausgangssignals zur Verfügung, da die Datenausgabe immer auf 4 Bytes verteilt erfolgt. Der Nutzer entscheidet, ob er seinen Schwerpunkt auf sicherheitsrelevante Informationen oder auf eine höhere Auflösung des Nutzsignals legen will. Die Grafik in Bild 2 verdeutlicht die unterschiedlichen Formatierungsmöglichkeiten.

Digitale Kalibrierung per ZSSC3170

Digitale Kalibrierung per ZSSC3170
Um Nullpunkt, Steilheit und Linearität einer fehlerbehafteten Kennlinie sowie Änderungen über den Temperaturbereich und Fertigungstoleranzen zu kompensieren muss jedes Brückenelement individuell kalibriert werden. Beim ZSSC3170 wird der digitalisierte Brückenwert auch einer digitalen Feinkorrektur zugeführt, bei der das IC Empfindlichkeit, Nullpunktfehler, Nichtlinearitäten bis zur 3. Ordnung sowie Temperaturabhängigkeiten (bis zur 2. Ordnung) des Brückenelementes korrigiert.

Über die Status-Bits kann der Nutzer ebenfalls per EEPROM-Konfiguration verschiedene Informationen abrufen. Hier besteht beispielsweise die Möglichkeit, in Bezug auf die Überwachung des Brückensensors oder der LIN-Kommunikation zu gewichten, was für störanfällige Netzwerke durchaus sinnvoll ist. Für die LIN-Kommunikation stehen verschiedene LIN-Servicedienste zur Verfügung. So lässt sich das IC beispielsweise in einen Ruhemodus schicken, so dass die Stromaufnahme auf typischerweise 40 µA sinkt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, trotz gesperrtem EEPROM die beiden Adressen PID1 und PID2, die für den LIN-Header verwendet werden, sowie die individuelle Node-Adresse zu verändern, um Konflikte innerhalb eines LIN-Subnetzwerkes zu vermeiden. Durch diese Servicedienste können in der Serienproduktion alle Sensoren mit gleichem EEPROM-Inhalt programmiert, ausgeliefert und erst anschließend in der Endapplikation final konfiguriert werden.

Der ZSSC3170 ist für den standardmäßigen Temperaturbereich von -40 bis +125 °C sowie auch für den erweiterten Temperaturbereich bis +150 °C erhältlich: ungehäust oder im JEDEC-konformen SSOP-20 Gehäuse.

Evaluation Tool

Auf Basis der bestehenden SSC-Entwicklungsplattform gibt es ein Hard- und Softwaretool, mit dem Anwender alle Funktionen und Konfigurationen, inklusive der Kalibrierung des Schaltkreises, evaluieren können. Ein Sensorersatzboard ermöglicht einen direkten Einstig in die eigene Entwicklung von intelligenten Sensorsystemen. Zum Lieferumfang des Evaluation Tool gehören auch 5 Muster-ICs sowie eine DVD mit Software und Dokumentation.