Решения и компоненты STMicroelectronics для светотехники на транспорте

В статье освещаются вопросы применения высоко интегрированных силовых ключей (твердотельных реле) компании STMicroelectronics выполненных по технологии V_ipower для управления автомобильными лампами различной мощности и микросхем силовой логики для управления индикаторными приборами и информационными панелями на светодиодах.

С развитием автомобильных систем вопросы безопасности и комфортности стали приоритетными. И здесь можно выделить два основных направления связанных со светотехническими решениями. Одно из них касается управления осветительными лампами накаливания (ближний, дальний, стояночный, противотуманный свет и освещение салона), а другое относится к информационному направлению (различные указатели и индикаторы, подсветка приборов, панелей и т.д.) и здесь в последнее время чаще всего используют светодиоды (СИД).

Компания STMicroelectronics (ST), являющаяся одним из мировых лидеров по разработке и производству электронных компонентов для автоэлектроники, уделяет светотехническим решениям на транспорте большое внимание. Поставив задачу замены электромеханических реле конкурентоспособными на рынке электронными устройствами, она разработала специальную технологию VIPowerТМ, которая обеспечивает интеграцию на одном кристалле элементов аналоговой обработки сигнала (биполярные транзисторы), схемы стандартной КМОП-логики и мощные переключающие ДМОП-транзисторы.

Для автоэлектроники по данной технологии, прошедшей уже несколько ступеней развития, компанией ST производятся драйверы верхнего плеча (с аналоговым и цифровым статусом, одноканальные и многоканальные), драйверы нижнего плеча - OMNIFETы (одноканальные и двухканальные), H-мосты (мостовые модули средней и большой мощности) и ключи для электронного зажигания (монолитные и гибридные). Основным характеристикам силовых ключей ST являются: логический уровень 5 В по входу и состоянию, цифровая и аналоговая диагностика, защита от недо- и перенапряжений, защита от перегрева, малое потребление в дежурном режиме, защита при обрыве "земли", отсечка тока и др.

Для распределительной коробки системы освещения (рисунок 1) компания ST рекомендует использовать несколько типов электронных ключей, в частности, для маломощных приложений до 5 Вт на канал (осветительные приборы, в том числе сигнализация поворота) удобно использовать мультиплексированные силовые ключи, например, VNQ05XSP16, которые, как и все стандартные ключи ST, совместимы по входу с TTL/CMOS сигналами.

Рис. 1. Схема распределительной коробки с электронными ключами

В системах управления дальним и ближним светом многих современных иномарок применяются двухканальные драйверы верхнего плеча VND920. Диагностический информационный вывод от этих устройств помогает бортовому микропроцессору быстро опознавать и изолировать повреждения, сокращая время ремонта и улучшая безопасность.

Новая микросхема VND920 дополняет семейство VIPower и позволяет заменить собой два одноканальных драйвера VN920. Оба драйвера позволяют реализовать инновационные решения при создании систем освещения с нагрузкой типа автомобильных ламп накаливания мощностью 60 Вт, которые должны управляться с высокой надежностью и безопасностью при миниатюрных размерах печатных плат. Драйвер VND920 производится в трех типах корпусов для поверхностного монтажа: PowerSO-10, P-PAK и SO-16L, имеющих разные массогабаритные показатели и температурные коэффициенты.

VN920D - это, по сути, универсальное твердотельное реле, которое может также использоваться для управления проблесковыми лампами, редукторами, инжекционными топливными насосами и дизельными свечами накаливания.

Для управления автомобильными лампами накаливания мощностью 21 Вт компания ST производит множество драйверов, среди которых можно выделить две серии четырехканальных микросхем VNQ810 и VNQ830 с сопротивлением в открытом состоянии 160 мОм и 60 мОм соответственно. Блок схема данных драйверов приведена на рисунке 2. Это драйверы верхнего плеча, производимые по технологии M0-3 ST, которые предназначены для управления стандартными автомобильными лампами мощностью от 5 Вт до 21 Вт.

Рис. 2. Блок-схема драйвера VNQ830

Две новые микросхемы четырехканальных ключей VNQ810PEP и VNQ830PEP выполненные по технологии M0-3,5 в корпусе PowerSSO-24 с открытым тепло отводом (рис. 3) предоставляют альтернативу аналогичным ключам в корпусе SO-28 с технологией M0-3 при уменьшении размеров посадочного места на плате.

Рис. 3. Корпус TSSOP (Exposed pad)

Сейчас компания STMicroelectronics начала производство драйвера верхнего плеча на восемь направлений управления с встроенными устройствами защиты и диагностики для использования в системах автоматизации и индустриального управления, которые удобно использовать и в распределительных коробках системы автомобильного освещения.

Микросхема VN808 является монолитным устройством, разработанным для управления любыми нагрузками соединенными одной стороной с "землей". Ключ обеспечивает ток в нагрузке 0,7 A с питанием напряжением до 45 В и имеет сопротивление в открытом состоянии (RDS(ON)) порядка 150 мОм. Эта микросхема работает с входными напряжениями до VCC/2.

Драйвер VN808 оборудован различными механизмами защиты. Он имеет ограничитель активного тока, защиту от температурного перегрева с автоматическим отключением и цепи автоматического рестарта. При перезагрузке для поддержания температуры перехода в диапазоне между температурой отключения и температурой сброса один канал выключается и затем включается автоматически. Если в условиях перегрузки температура корпуса ключа достигает предельного значения отключения, то перезагруженный канал выключается и перезапускается только тогда, когда температура корпуса снижается до соответствующей температуры сброса. Каналы, которые не были перезагружены, продолжают в это время работать в обычном режиме.

Драйвер выключается при отсоединении штырька "земля". Другими видами защиты являются защита от короткозамкнутых нагрузок и защита от пониженных напряжений. Эта микросхема характеризуется также очень низким потреблением тока в дежурном режиме.

Устройство VN808 наиболее приспособлено для индустриальных приложений соответствующих международному стандарту для программируемых контроллеров IEC 1131. Оно изготавливается в корпусе PowerSO-36.

Семейство драйверов верхнего плача ST постоянно пополняется. В настоящее время оно насчитывает 96 позиций. Подробную информацию и описания драйверов можно получить на сайте компании www.st.com/vipower.

Для управления СИД силовые драйверы верхнего плеча малоэффективны. Поэтому для информационного направления автомобильной светотехники компания STMicroelectronics разработала и производит семейство микросхем силовой логики. Это обычные логические устройства с встроенным выходным силовым каскадом. Обеспечивая непосредственное управление системой электрических нагрузок, они заменяют как стандартные логические микросхемы, так и дискретные силовые устройства.

STPIC6C595 - монолитный, на средний диапазон напряжений, маломощный 8-разрядный сдвиговый регистр (рис. 4), который предназначен для использования в системах с относительно умеренной мощностью в нагрузке типа светодиодов. Устройство содержит встроенный фиксатор выходного напряжения для защиты от выбросов при индуктивной нагрузке.

Рис. 4. Блок-схема STPIC6C595

Состав логических функций STPIC6C595 соответствует логическим функциям высокоскоростной КМОП (HCMOS) логики M74HC595 кроме выходов инвертированных относительно HCMOS версии. Восемь ДМОП ключей последовательно управляются от одного входа и 8-разрядным последовательным кодом. В цепи сток-затвор каждого из восьми ДМОП ключей имеется встроенный ограничительный диод зенера на напряжение 33 В, что расширяет переключательные возможности микросхем для индуктивных нагрузок.

Согласно спецификации описания диапазон рабочего напряжения логики составляет от 4,5 до 5,5 В, но фактически она работоспособна от 3 В до максимального напряжения в 7 В.

Перенос данных по 8-разрядному сдвиговому регистру осуществляется на нарастающем фронте сигнала в тактовом регистре сдвига и обмена (SRCK). Запирание данных на выход сдвигового регистра производится на нарастающем фронте сигнала в тактовом регистре (RCK). При этом все выходы помещаются в режим высокого импеданса с высоким уровнем сигнала на выводе допуска (G), но данные в защелкнутом регистре обмена не очищаются. Сдвиговый регистр очистки (CLR) очищает данные только в сдвиговом регистре. Вывод последовательного выхода (SER OUT) снабжается в последнем бите сдвигового регистра, что обеспечивает каскадирование устройств в приложениях, требующих более восьми ДМОП переключателей.

Сопротивление ключей в открытом состоянии RDS(on) составляет 4 Ом. Нагрузочная способность каждого из восьми выходных ДМОП каналов 100 мА. Величина максимально потребляемого тока Icc = 200 mA (max). Микросхемы доступны в корпусах SO16 и TSSOP16.

В настоящее время компания STMicroelectronics начала производство нового комплекта однокристальных микросхем драйверов светодиодов (СИД) для использования в устройствах отображения на транспорте, световых сигнальных и индустриальных приложениях. Принцип применения рассматриваемых драйверов для управления информационными панелями на трехцветных светодиодах показан на рисунке 5.

Рис. 5. Применение силовой логики в блоках отображения

Семейства микросхем силовой логики STPxxC596 и STPxxCL596 интегрируют набор функций, которые необходимы для управления СИД по постоянному току при использовании только одного внешнего резистора. При выбранном значении сопротивления резистора динамическая коррекция запрограммированного уровня выходного тока осуществляется с помощью механизма обратной связи по току от одного или набора нескольких СИД.

Микросхемы выпускаются в версиях с 8 или 16 выходами при уровнях входного напряжении 3,3 В и 5 В и в четырех типах корпусов. Микросхемы принимают последовательные данные по интерфейсу SPI (Serial Peripheral Interface) и используют внутренний сдвиговый регистр и защелки для формирования данных для каждого из выходов СИД. Вывод контроллерного допуска позволяет микроконтроллеру включать или выключать каждый светодиод и управлять яркостью его свечения. Микросхемы содержат внутренний генератор и функцию ресинхронизации данных, которая полезна при каскадном использовании устройств (конфигурация шлейфового подключения (daisy chain configuration).

Выходной ток микросхем программируется от 15 мА до 120 мА (при напряжении источника питания 5 В). Эти устройства могут работать от источника питания с напряжением от 3,3 В до 5 В и непосредственно управляться микропроцессором или логической схемой без дополнительных трансляторов уровня.

STP08C596 имеет восемь выходных каналов, каждый из которых может обеспечивать для управления СИД постоянный ток величиною от 15 до 120 мА. Эта микросхема упаковывается в DIP-16, SO-16 и TSSOP16 корпуса.

Каждый из восьми выходных каналов микросхемы STP08CL596 обеспечивает для управления СИД постоянный ток величиною от 15 до 90 мА. Это устройство работает от источника питания 3,3 В и доступно в корпусах DIP-16 и SO-16.

Микросхема STP16C596, блок схема и принцип применения которой отображен на рисунке 6, имеет 16 выходных каналов с обеспечением в каждом постоянного тока для управления СИД величиной от 15 до 120 мA. Она доступна в DIP-24, SO-24, TSSOP24 и TSSOP24 (exposed-pad) корпусах, последний из которых имеет открытую площадку для тепло отвода.

Рис. 6. Схема применения STP16C596

16-канальная микросхема STP16CL596 обеспечивает в каждом канале управления СИД постоянный ток величиною от 15 до 90 мА. Она работает от источника питания с напряжением 3,3 В и доступна в DIP-24, SO-24, TSSOP24 и TSSOP24 (exposed-pad) корпусах.

В таблице 1 приведена обобщенная информация о характеристиках семейства микросхем силовой логики компании ST.

Таблица. Микросхемы силовой логики ST

Таким образом, имеющаяся номенклатура компонентов компании STMicroelectronics обеспечивает всевозможные схемотехнические решения на транспорте различного рода, как в области управления лампами накаливания различной мощности, так и в области управления разнообразными информационными системами на светодиодах.

Анатолий Юдин

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы