Smart Power

Intelligente Leistungs-Bauelemente sind überall da ein Muss, wo es um guten Schutz, hohe Zuverlässigkeit und kompakte Bauweise geht, sowie wenn Kompatibilität zu Logikpegeln benötigt wird.

Intelligente Leistungselektronik lässt sich in zwei wesentliche Kategorien unterteilen ? und zwar in die Technologien, bei denen der hohe Strom in horizontaler Richtung fließt (d. h. der für die hohe Leistung verantwortliche Strom fließt parallel zur Oberfläche des Silizium-Wafers) und in Technologien, bei denen der hohe Strom in vertikaler Richtung fließt.
Bei letzterer dringt der Strom an der Unterseite des Wafers ein und fließt vertikal durch die Leistungsstufe: genau so wie in einem konventionellen diskreten Leistungshalbleiter. Das bedeutet, dass diese Bauelemente ähnliche Spannungs- und Strom-Werte aufweisen wie diskrete Halbleiter. Je nach verwendeter Technologie nutzen die Bauteile NMOS-, DMOS, CMOS- oder bipolare Transistoren für die Signalstufen sowie Hochspannungs-Bipolar- oder VDMOS-Transistoren für die Ausgänge.
Die zuerst erwähnte Technologie, BCD-Technologie genannt, nutzt die Integration von bipolaren, CMOS- und DMOS-Transistoren (daher der Name BCD) auf einem Wafer. Der Chipentwickler ist daher in der Lage, für jeden Teil seines Designs den passenden Transistor-Typ auszuwählen: Bipolar für lineare Funktionen, die hochpräzise sein müssen, CMOS für hochdichte Logik und analoge Schaltungen sowie DMOS für die Leistungsstufe. Die maximale Durchbruchspannung dieser Bauelemente-Typen liegt derzeit bei etwa 250 V.
Auf Grund der breiteren Leitungspfade, die bei vertikaler Stromleitung durch den Wafer realisierbar sind, ermöglicht die Vertikal-Technologie einen niedrigeren On-Widerstand (RDS(on)) und kann somit höhere Leistungen handhaben als die BCD-Technologie. Weil jedoch der Strom durch das Substrat des Bauteils fließt, ist es nur dann möglich, mehrere Leistungs-Ausgänge zu haben, wenn die Leistungselemente jedes Ausgangs über gemeinsame Kollektor/Drain-Anschlüsse verfügen, was beispielsweise bei Highside-Treibern möglich ist. Die Komplexität der Steuerungsschaltung, die auf dem Chip integriert werden kann, ist auf Grund der von der Isolationswanne (p-dotiert) beanspruchten Chipfläche ebenfalls begrenzt. BCD kann komplexer sein und mehrere unabhängige Leistungs-Ausgänge haben, aber durch den horizontalen Stromfluss ergibt sich ein höherer On-Widerstand pro Flächeneinheit als bei den vertikalen Technologien und folglich höhere Kosten oder höhere Leistungsverluste.
Aus diesen Gründen kommt BCD zum Einsatz, um komplexe Bausteine für den mittleren Leistungsbereich zu fertigen. Hierbei besteht die Möglichkeit, mehrere Leistungs-Ausgänge zu nutzen, während die Vertikal-Technologie sich besser für einfache Bausteine eignet, die mit höheren Leistungen arbeiten und kompaktere Designs ermöglichen. So wird ein Hochstrom-Treiber für die Zündung in einem Auto in Vertikal-Technologie realisiert sein, während eine typische Multipower-BCD-Anwendung die Steuerelektronik einer Computer-Festplatte sein kann, die einen Motortreiber mit mehreren Ausgängen, Rückkopplungs-Zweige sowie eine komplexe Ansteuerungsschaltung enthält.
STMicroelectronics nutzt die Vertikal-Technologie für seine Vipower-Familie sowie die BCD-Technologie für anwendungsspezifische Bauteile. IR nutzt die Vertikal-Technologie für die IPS-Familie.
Systeme für den Einsatz im Automobil
Es ist heutzutage bekannt, dass mehr und mehr Highside Driver in Automobil-Anwendungen zum Einsatz kommen. Außerdem wächst die Verwendung von intelligenten Leistungsschaltern mit der Entwicklung von Automobil-Systemen, die nach dem Multiplex-Verfahren arbeiten: Statt an jede individuelle elektronische Baugruppe sämtliche dafür benötigten Drähte zu führen, verbindet ein einziger digitaler serieller Kommunikations-Bus sämtliche Schaltungsteile. Dieser Bus wird konstant von allen Teilnehmern des Systems überwacht, wobei die einzelnen Baugruppen die jeweils für sie relevanten Befehle anhand eines individuellen Codes identifizieren. Der Standard-Bus für ein übergeordnetes Netzwerk ist der CAN-Bus, während wir derzeit beobachten, wie sich ein weiterer Bus für Aktuatoren eines untergeordneten Netzwerks herauskristallisiert: Der LIN-Bus (Local Interconnect Network), eine Variante der gängigen NRZ-Übertragung gemäß dem seriellen Standard ISO-9141 (www.lin
subbus.org). Dieser Trend zeigt, dass die Fähigkeit der Leistungs-Bauelemente, über eine digitale Schnittstelle zur Übermittlung von Diagnose-Informationen zu kommunizieren, sehr wichtig ist, so dass intelligente Leistungs-Bauelemente in diesem Gebiet sehr attraktiv sind.
Eine Aufzählung sämtlicher Anwendungen, die man in einem Auto finden kann, ergäbe eine Liste, die den Rahmen dieses Artikels sprengt, aber hier sind einige beispielhafte Applikationen:
? Sicherheit und Bequemlichkeit: Klima-Steuerung, Fernbedie- nung für die Fahrzeugschlösser (“Keyless Entry”), Lichtdimmer, Fenstersteuerung, Speicherung der Sitzposition usw.
? Steuerungen im Karosserie-Be- reich: Intervall-Wischer, Elektro- nische Federung, Multiplex-Ver- drahtung, Geschwindigkeitsreg- ler (“Tempomat”) usw.
? Antriebsstrang: Zündung, Zünd- zeitpunkt, Alternator (ein auf der Nockenwelle untergebrachter
Anlasser, der im laufenden Be- trieb als Lichtmaschine dient), Steuerung der Leerlauf-Dreh- zahl, Turbo-Steuerung usw.
? Fahrer-Information: Digitale An- zeigen (Benzin, Temperatur etc.), Information über die Er- gebnisse der Motor-Diagnose usw.
Motorsteuerung und Servo-Treiber
Die meisten Motoranwendungen benötigen erheblichen Schaltungsaufwand zur Regelung der Geschwindigkeit und des Drehmoments. Intelligente Leistungselektronik wird verwendet, um die Kompaktheit zu verbessern und die Entwicklungszeiten zu verringern. Sie kann unförmige Leiterplatten überflüssig machen und die Elektronik derart klein werden lassen, dass sie innerhalb des Motorgehäuses untergebracht werden kann.
In Servo-Anwendungen können Schaltungen zur Überwachung der augenblicklichen Position und Status-Sensoren, Mikroprozessor-Rückkopplungs-Schaltungen sowie Leistungsschalter zum Antrieb des Motors auf einem einzigen Chip integriert sein. Der Entwickler kann standardisierte Leistungs-Bauelemente nutzen. Diese enthalten sämtliche Schaltungen, die zur Steuerung des Schrittmotors, der oft in diesen Anwendungen genutzt wird, benötigt werden. So gibt es beispielsweise ICs zur Erzeugung der phasenrichtigen Signale des Motors sowie der Positionssteuerung, wobei diese ICs auch die Leistungsstufe integrieren. Dadurch verringert sich nicht nur die Designkomplexität, sondern auch die Zeit für die Systementwicklung.
Audio-Verstärker
Intelligente Audio-Leistungsverstärker enthalten in den Endstufen des Leistungsverstärkers auch Schutzschaltungen, so dass sie eine kompakte und zuverlässige Lösung zu diskreten Verstärkern darstellen.
Anwendungsspezifische Bausteine und Anwendungen
In Motorsteuerungen reicht das Spektrum der Bauelemente von einfachen überlastgeschützten Transistoren bis hin zu kompletten Brückentreibern mit entsprechenden offenen oder geschlossenen Rückkopplungsschaltungen, die beispielsweise das vom Motor gelieferte Drehmoment überwachen, den Strom oder die Spannung regeln sowie Rückkopplungs-Signale an einen Mikrocontroller geben. Anwendungsspezifische intelligente Leistungs-Bauelemente können sämtliche Steuerungs- und Leistungs-Funktionen einer Baugruppe auf einem einzigen Chip integrieren.
Ein Beispiel dafür ist ein Controller für eine Schreibmaschine, der die Ansteuerung für die Motoren zur Positionierung des Schreibwagens, für den Papiervorschub und die Steuerung des Typenrades sowie zusätzlich einen Leistungsspulen-Treiber zur Ansteuerung des Typenhammers und ein Schaltnetzteil für den Mikroprozessor der Schreibmaschine enthält.
Weitere Anwendungsbeispiele sind Vorschaltgeräte für Lampen mit Leistungsschaltern und Starterschaltungen, Display-Treiber, Halbleiter-Relais, Highside-Treiber zur Prozess-Steuerung und Telekommunikationsschaltungen.

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