Leistungs-Anwendungen mit digitalen Signalcontrollern realisieren

Ein digitaler Signalcontroller (DCS) in Kombination mit einem maßgeschneiderten Ökosystem ist eine effiziente Option, um robuste, sichere und flexible Switch-Mode-Lösungen zu realisieren, ohne dass der Entwickler in die DSC-Welt eintauchen oder ein Analog-Experte sein muss. Zu den typischen Anwendungsbereichen von DSCs in der Elektromobilität zählen schnelle Level-3-DC-Ladegeräte, AC/DC-Onboard-Ladegeräte mit Leistungsfaktorkorrektur, DC/AC-Wandler für die Netzversorgung im Fahrzeug, 400/800-V-Motorsteuerungen, Kühlflüssigkeitspumpen, Mild-Hybrid-48-V-Boost/Rekuperations-Maschinen, Wechselrichter für E-Scooter sowie das kabellose Laden (Bild 1). Welche Systemanforderungen sind hier zu beachten?

Die Innovation in der Automobilelektronik wird durch Software vorangetrieben. Autosar ist eine offene und standardisierte Software-Architektur für elektronische Steuergeräte im Automobil, die es den Automobilzulieferern ermöglicht, die Entwicklungszeit zu verkürzen und gleichzeitig bei der Mikrocontroller-Hardware äußerst flexibel zu bleiben.

Zulieferer und OEMs haben keine andere Wahl, als Autosar zu nutzen, wenn sie in einer ständig wachsenden, komplexeren Softwareumgebung mit kürzeren Entwicklungszyklen wettbewerbsfähig bleiben wollen. Das sogenannte „Software-definierte Kfz“ erfordert standardisierte (Software-) Plattformen. Autosar ist eine dominierende Software-Plattform und eine gängige Anforderung in den meisten CAN- oder Ethernet-verbundenen Steuergeräten.

Große Herausforderungen für die Zulieferer sind Time-to-Market, die begrenzten technischen Ressourcen und die Entwicklungskosten. Die Autosar-Basissoftware (BSW), die Autosar-Laufzeitumgebung (RTE) und deren Anwendungssoftware (ASW) müssen integriert werden.

Die BSW wiederum setzt sich aus Hardware-unabhängigen und Hardware-abhängigen Softwaretreibern zusammen (MCAL=Microcontroller Abstraction Layer). BSW und RTE werden von Drittanbietern wie Vector Informatik, Elektrobit, Mentor und KPIT angeboten. Die MCALs sind hardwarespezifisch für die jeweiligen MCU-Familien. MCALs können von Drittanbietern, dem Kunden selbst oder dem Hersteller des DSC entwickelt werden (Bild 2).

Steuergeräte, die Teil des Sicherheitskonzepts des Fahrzeugs sind, müssen gemäß der Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit entwickelt und zertifiziert werden. Der Entwicklungsprozess nach ISO 26262 ermittelt zunächst die Gefahren und Sicherheitsziele auf Fahrzeugebene, die dann in Sicherheitsanforderungen und -mechanismen umgesetzt werden. Diese müssen dann in eine Hardwarefunktion oder eine Diagnosesoftware zerlegt werden, mit dem Ziel, jedes Risiko im Falle eines Fehlers zu beseitigen. Hersteller von DSCs bieten für die funktionale Sicherheit geeignete/konforme MCUs samt umfassenden Paketen für die funktionale Sicherheit mit Diagnose-Bibliotheken, Compilern und unterstützendem Material für die ISO-26262-Zertifizierung an. Hier ist eine nahtlose Integration in die Autosar-Umgebung erforderlich..

Cybersecurity

Da Entwickler die erforderliche funktionale Sicherheit nicht ohne angemessene Cybersecurity erreichen können, sind Funktionen wie sichere Kommunikation, sicheres Boot-/Firmware-Update und IP- und Datenschutz über den gesamten Produktlebenszyklus von großer Bedeutung. Ein unbefugtes Eindringen in den Ladeprozess der Hochspannungsbatterie oder in Aggregate des elektrischen Antriebsstrangs kann fatale Folgen haben.

Die Schutzfunktionen sind:

• Unveränderlicher Secure Boot-Bereich mit Flash Protection
• Flash OTP zur Deaktivierung von Flash-Modifikationen mit einem externen Programmiergerät/Debugger
• Starke exklusive Device ID und User OTP Segmente für eindeutiges Pairing und Tracking
• Möglichkeit, den Zugang zum Debug-Modus zu sperren
• Externes Sicherheitselement mit zusätzlichen Hardware-Kryptobeschleunigern, Schlüsselverwaltung und physischer Manipulationssicherheit

Beginnend mit Rev. 4.3.x werden Sicherheitsaspekte auch innerhalb von Autosar unterstützt.

DSCs für die E-Mobilität: Funktionsanforderungen

Um reale Design-Anforderungen wie die oben genannten EV-Anwendungsfälle zu erfüllen, wird eine Lösung benötigt, die die Verarbeitungsleistung eines digitalen Signalcontrollers und die Einfachheit des Designs eines Mikrocontrollers bietet. DSCs, die für digitale Stromversorgungs-, Motorsteuerungs- und aktuelle Mess- und Steuerungsanwendungen ausgelegt sind, wie die dsPIC33C-Bausteinfamilie von Microchip, sind ein Beispiel dafür:

• Single- und Dual-Core-Versionen (100 + 90MIPS)
• 40-Bit-Akkumulatoren für höchste Präzision
• 12-Bit-Hochgeschwindigkeits-ADCs (3,5 Msps), DACs und mehrere hochauflösende PWMs (250ps)
• Hohe Skalierbarkeit innerhalb der Bausteinfamilie zur Abdeckung unterschiedlicher Anwendungsanforderungen: 32 kB bis zu 1 MB Flash-Speicher (duale Flash-Panels für Live-Update), 28-Pin-Gehäuse, die nur 4 × 4 mm² groß sind, bis hin zu Gehäusen mit 100 Anschlüssen
• CAN(-FD), LIN und SENT-Konnektivität
• Stücklisten-Optimierung durch On-Chip-Analogverstärker und Komparatoren für die Anbindung an die analoge Welt.

Derart ausgestattet lassen sich intelligente Motorsteuerungslösungen mit variabler Drehzahl, konstantem Drehmoment und sensorloser feldorientierter Steuerung (FOC) für BLDC, PMSM, IPM oder Stepper realisieren, wobei ausreichend CPU-Bandbreite für Anwendung, Vernetzung, vorausschauende Wartung und FuSa-Code übrig bleibt.

Das Gleiche gilt für digitale Spannungsversorgungen mit adaptiven Algorithmen zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei stark schwankenden Lastbedingungen durch die Implementierung von Phase Shedding, Totzeitanpassung in Echtzeit, variabler HV-Schaltfrequenz und variabler Bulk-Spannung. Dank der erreichbaren höheren Schaltfrequenzen, kleineren Induktivitäten und Kondensatoren lassen sich Kosten, Gewicht und Platz sparen und die Leistungsdichte auf der 400/800-V-Seite verbessern (Bild 3). Durch die Integration von LIN- bzw. CAN-Transceiver, LDO und 3-Phasen-Gate-Driver in einzelne System-In-Package-Lösungen wird ein noch höherer Integrationsgrad erreicht.

Für eine effiziente Entwicklung des Applikationscodes ermöglichen dedizierte Software-Suiten für Motorsteuerung und digitale Leistungsanwendungen eine schnelle Time-to-Market, geringes Risiko sowie einen einfacheren Einstieg im Vergleich zu DSPs bei der Migration von analogen Konzepten. Eine nahtlose Integration solcher Module in die gesamte integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) ist unerlässlich.

Darüber hinaus ermöglichen eine Reihe verfügbarer Benutzerschnittstellen und Simulink-Peripherieblöcken für den DSC bei Bedarf einen modellbasierten Designansatz. Der Code für die Anwendung wird in einem einzigen Schritt auf Knopfdruck generiert, kompiliert und auf ein Target geladen (Bild 4).

Digitale Signalcontroller sind eine gute Option im Vergleich zu traditionellen DSPs oder abgeleiteten Kombilösungen, wenn es um Leistungs-Schaltnetzteil-Anwendungen geht, die in der E-Mobility-Elektronik unerlässlich sind.

Anders als herkömmliche analoge Techniken bietet eine Realisierung des Regelkreises in Software eine hohe Flexibilität sowohl in der Entwurfsphase als auch im späteren Betrieb sowie hohe Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. DSCs, wie sie Microchip mit der dsPIC33C-Familie und einem maßgeschneiderten Ökosystem anbietet, können die Hard- und Softwareanforderungen effizient abdecken und helfen, immer knapperen Time-to-Market-Anforderungen gerecht zu werden. (na)

Der Beitrag beruht auf Material von Microchip.