Operační, ale i výkonové. Do auta patří zesilovače STMicroelectronics

Z aktuálních novinek známého výrobce tentokrát vybíráme základní stavební bloky navržené do náročných podmínek automobilového průmyslu. Vévodit jim budou zesilovače v několika různých podobách, následované výkonovými moduly, ale třeba i můstky.

OZ řady TSB5: 6 MHz i 36 V

Součástek s výmluvným trojúhelníkem a dvěma vstupy, kterým vždy přísluší buď znaménko plus, či minus, společnost STMicroelectronics minulý rok přichystala hned několik – na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z jste např. mohli číst v [1]. Výjimkou zde nebyly ani prvky „cvičené“ tak, aby je šlo s přehledem využít ve složitém průmyslovém prostředí, pohyb na čtyřech kolech nevyjímaje. Posledního listopadu [2] k nim oficiálně přibyla též rodina operačních zesilovačů TSB5 se šířkou pásma 6 MHz a také vstupy či výstupy řešenými na způsob „rail-to-rail“ – ty se s ohledem na použitelný dynamický rozsah uplatní zejména tehdy, pracujeme-li poblíž minimálního napájecího napětí. V základním náhledu se bude jednat o klasickou trojici součástek s označením TSB511, TSB512 a také TSB514, čemuž odpovídá i počet jednotlivých zesilovačů v pouzdrech typu SOT23-5, Mini SO8, SO8, TSSOP14 nebo též SO14. Obvody se pyšní stabilní činností, vysokou odolností vůči elektrostatickým výbojům ESD a samozřejmě teplotním rozsahem od –40 °C až do +125 °C. Výrobce je navrhl tak, aby dokázaly pracovat s jednoduchým napájením v rozsahu od 2,7 V až do 36 V, příp. též i s duálním zdrojem o napětí ±1,35 V až ±18 V. Pokud jde o dostupnou šířku pásma, zůstává stejná jako v případě tradičních operačních zesilovačů LM324. Rozdílná však bude právě výkonová spotřeba, která je nyní čtyřikrát nižší.

Obr. 1  Operační zesilovače je zapotřebí pečlivě vybírat a zvažovat přitom celou řadu parametrů. S novinkami firmy STMicroelectronics půjde ruku v ruce nejen rozšířená teplotní působnost, ale také velikost rušení, rychlost přeběhu nebo např. vstupní napěťový offset [2]

Pro snímání a také řízení

Novinky série TSB5 s logem ST vykazují rychlost přeběhu 3 V/μs, šumové pozadí 12 nV/√Hz, napěťový offset maximálně ±1,5 mV a vedle možné podpory automobilového průmyslu jim není cizí ani filtr potlačující elektromagnetické interference EMI. Jednoduché, duální, ale i čtyřnásobné součástky se tak mohou vhodně uplatnit v zapojeních s aktivními filtry, při snímání proudu na vyšší a také nižší straně napájení, v oblasti řízení motorů, stejně jako celých průmyslových procesů a neztratí se ani při buzení akčních členů nebo např. v měřicích a testovacích zařízeních, např. s využitím odporových snímačů, senzorů vystavěných na Hallově jevu, čidel teploty, tlaku apod.

Obvody TSB511, TSB512 nebo TSB514 jsou k dispozici již nyní a také s výhledem do budoucna, kdy se výrobce v rámci svého programu, resp. příslibu „dlouhověkosti“, dále zavazuje k deseti letům. Při odběru jednoho tisíce kusů se cena prvků se standardním rozvržením vývodů pro ještě snazší zapracování pohybuje zhruba od 0,7 do 1,5 dolaru za jedno vyhotovení. Vzorky nových operačních zesilovačů jsou pak volně dostupné prostřednictvím eStore od ST. Při požadavcích na ještě větší přesnost lze samozřejmě sáhnout i po souvisejících prvcích skupiny TSB71x s podobnými vlastnostmi, ovšem s rozdílným napěťovým offsetem, který zde při pokojové teplotě nemusí ani přesáhnout ±300 μV (u našich novinek řady TSB5 pak bude VIO v maximu při +25 °C pětinásobně vyšší, což ještě nemusí být zlé, určitě je ale nutné s tím počítat [3]).

1× 10 W ve třídě D. Digitálně a s diagnostikou

Další z nových integrovaných obvodů navržených speciálně pro potřeby automobilového průmyslu ve firmě STMicroelectronics představili vzápětí, prvního prosince [4]. Jednat se bude opět o zesilovače, i když tentokrát spíše v jejich výkonové podobě – určené pro audiosystémy a popsané deseti watty, resp. provozní třídou D. Výsledek nám hezky ilustruje obr. 2 společně s obr. 3 zachycujícím vnitřní zapojení jednoho z nich.

Obr. 2  Výkonové obvody jsou mezi novinkami od společnosti ST vhodnými do automobilového průmyslu zastoupeny dvěma zesilovači, které vedle výkonu 10 W vsadily též na číslicové řešení vstupů, související zpracování s digitálním jádrem a také pokročilou diagnostiku [4]

 

Obr. 3  K vnitřnímu zapojení integrovaného zesilovače, obvodu FDA903S s 24bitovým D/A převodníkem a podporou rozhraní I²S či TDM [5]

Součástky vystupující jako nejnovější, jednokanálové plně rozdílové výkonové audio zesilovače firemní rodiny FDA, odkazující právě na „Fully Digital Amplifier zde ponesou označení FDA803S a FDA903S. Hodit se budou pro aplikace, jako jsou eCall, telematika v čele s navigačními systémy nebo cokoli dalšího, kde je zapotřebí reprodukovat lidský hlas, hudbu či výstrahy před nebezpečím. Výrobce přesně pro takové účely počítá s rozhraním vstupní části I²S, číslicovým jádrem pro zpracování audia, včetně diagnostiky, 24bitovým digitálně-analogovým převodníkem DAC (100 dB) a koncovým stupněm s pulzně-šířkovou modulací PWM pracujícím v účinné třídě D.

Integrované zpracování audia v digitální podobě zde zajišťuje kvalitní přednes umocněný kompaktním fyzickým řešením. K tomu se dále přidává zpětná vazba řešená přímo na čipu, tedy ještě před vnějším výstupním LC filtrem, zjednodušující celkový návrh. S minimálním počtem externích součástek se rovněž pojí plnohodnotná konfigurovatelnost prostřednictvím rozhraní I²C nebo např. diagnostika zahrnující detekci „ořezání“ signálu, teplotní výstrahu, proudovou ochranu nebo též vyhodnocení nepřipojené zátěže. Obvody FDA903S kromě toho nabízí monitorování proudu tekoucího zátěží v reálném čase, včetně funkcí DAM (Digital Admittance Meter), pro účely vlastní diagnostiky kompatibilní s požadavky kladenými na funkční bezpečnost (ASIL A). Napájet lze v rozmezí od 3,3 V až do 18 V.

ADAS? Zde spíše AVAS

Oba výkonové zesilovače s nízkým klidovým odběrem a výkonem deset wattů (platí pro zatěžovací impedanci 4 Ω, napájecí napětí 14,4 V, kmitočet 1 kHz a celkové harmonické zkreslení THD = 1 %), obvody FDA803S a také FDA903S, obdržíme v provedení typu QFN o rozměrech 5 × 5 mm a s 32 vývody [5]. Díky odhalené plošce na spodní straně pouzder pak lze plně digitální návrh vyřešit bez potřeby klasického chladiče, a tudíž s ještě menšími rozměry. V obou případech je možné poplatně digitálně řešenému vstupu rovněž počítat s podporou pro rozhraní TDM (time-division multiplexing, až 16 kanálů).

V systému pak vývojáři s ohledem na rozmanité zdroje signálu dokážou pracovat i s různými vzorkovacími kmitočty – od 8 kHz až do 96 kHz. Nižší frekvence, řekněme do 32 kHz, navíc umožňují ušetřit paměťový prostor, např. v aplikacích pro generování výstražného tónu. Pro zájemce zde nechybí ani vývojová deska EVAL-FDA903S v ceně cca 190 dolarů. Sluší se ještě zmínit význam zkratky „AVAS“, kterou firma STMicroelectronics v této souvislosti běžně používá. Nepůjde totiž o nic jiného než „Acoustic Vehicle Alerting System“. A nové integrované obvody jsou pro takové varovné systémy s akustickou signalizací ve vozidlech jako stvořené.

Jenže elektronika v automobilech není jen o zesilovačích v jejich různých podobách. Stejný výrobce to aktuálně dokládá i novinkami na poli výkonových modulů či můstků z obr. 4 a obr. 5. Za zmínku stojí též nedávno představené 75V synchronně snižující kontroléry L3751, které díky minimální době sepnutí 40 ns umožňují práci s mimořádně nízkou střídou, což také představuje docela velké poměry při snižování napětí. Přímé napájení součástí vyžadujících relativně nízké napětí se proto může obejít bez dalších „mezistupňů“ [8].

Obr. 4  STMicroelectronics – to je i pětice nových výkonových modulů pro elektroautomobily s MOSFETy na bázi karbidu křemíku (SiC) STPOWER třetí generace v robustních pouzdrech ACEPACK DRIVE, které se hodí právě pro trakční systémy. Zde také vynikne odpor v sepnutém stavu vztažený vůči ploše čipu, energie potřebná ke spínání nebo i další vlastnosti, pokud jde o synchronní usměrňování [6]

 

Obr. 5  Celkem pět bude i můstků s výkonovými polovodiči v oblíbených konfiguracích, představených firmou ST letos v lednu v provedení ACEPACK SMIT, zjednodušujícím osazování součástek třídy „automotive-grade“ a zvyšujícím rovněž i hustotu výkonu, budeme-li srovnávat s tradičním zapouzdřením ve stylu TO [7]

Odkazy:

[1] OZ od ST lákají na offset i napájení od 2 V, www.dps-az.cz/vyvoj/novinky/id:88121/oz-od-st-lakaji-na-offset-inapajeni-od-2-v

[2] Tisková zpráva, https://newsroom.st.com/media-center/pressitem.html/n4498.html

[3] Operační zesilovače rodiny TSB5, www.st.com/TSB51

[4] Tisková zpráva, https://newsroom.st.com/media-center/pressitem.html/n4501.html

[5] Obvody FDA803S a FDA903S, www.st.com/10w-class-dauto-audio-amp

[6] Tisková zpráva, https://newsroom.st.com/media-center/pressitem.html/t4502.html

[7] Tisková zpráva, https://newsroom.st.com/media-center/pressitem.html/n4508.html

[8] Kontroléry od ST pro vysoké poměry při snižování napětí, www.dps-az.cz/rubriky/aktualni-zpravy/id:88280/kontrolery-od-st-pro-vysoke-pomery-pri-snizovani-napeti