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Sicherer Strompfad von der Autobatterie zu Remote-Kameras

| Autor / Redakteur: Bryan Dick, Chikara Kakizawa, Chintan Parikh, Nazzareno (Reno) Rossetti * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Moderne Fahrerassistenzsysteme sind ohne Kameras nicht mehr vorstellbar. Aber sie müssen auch mit Strom versorgt werden. Wir verraten Ihnen, was dabei zu beachten ist.

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Das intelligente Autobahnumfeld: Eine Vielzahl von Sensoren sollen das Fahren sicherer machen. Dazu gehören auch Kameras.
Das intelligente Autobahnumfeld: Eine Vielzahl von Sensoren sollen das Fahren sicherer machen. Dazu gehören auch Kameras.
(Bild: © adobe stock, folienfeuer)

Das moderne Auto verfügt über eine Vielzahl von Sensoren, die das Fahrerlebnis sicher und unfallfrei machen sollen. Zu den vielen ADAS (Advanced Driver Assistance System)-Komponenten gehören auch Kameras, die dem Fahrer bisher nicht zugängliche Ansichten des toten Winkels, eine Verkehrszeichenerkennung, eine Fußgängererkennung sowie eine Einparkhilfe bieten. All diese Sensoren, die strategisch an der Fahrzeugperipherie platziert sind, benötigen für ihren Betrieb eine Spannungsversorgung.

Entlang des Strompfades von der Autobatterie zu den Remote-Kameras stellen sich viele Herausforderungen. Der mit der Autobatterie verbundene Front-End-Regler muss einen Kaltstart sowie die Start-/Stopp-Funktion unterstützen, gleichzeitig einen „Load Dump“ auffangen und die Sicherheitsanforderungen ASIL B/D erfüllen. Die Kameramodule werden über Koaxialkabel mit Strom und Spannung versorgt. Diese müssen überwacht und hinsichtlich verschiedener Fehlerarten kontrolliert werden. Die entfernt angebrachten Kameramodule mit ihrem On-Board-Power-Management-System müssen klein, effizient und kostengünstig sein.

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In diesem Artikel wird der gesamte Power-Management-Pfad von der Autobatterie bis zu den Remote-Kameras untersucht und eine Systemlösung vorgestellt, die die Herausforderungen des Strompfads hinsichtlich Größe, Effizienz und Sicherheit erfüllt.

Remote-Kamerasystem

Ein Beispiel für ein Surroundsicht-Kamerasystem zeigt Bild 1. Hier wird ein Abwärts/Aufwärtswandler (Buck-Boost) mit der Batterie verbunden und versorgt die Remote-Kameras über einen Vierfachschutz-IC, eine Reihe von AC-Sperrspulen (L) und vier Koaxialkabel mit Gleichspannung. Ein Vierfach-Deserialisierer verbindet den Mikroprozessor mit den Remote-Kameras über die AC-Koppelkondensatoren (C) auf denselben Koaxialkabeln.

Einkanaliger Strompfad

Bild 2 zeigt das Power-Management mit nur einem Kanal. Der Abwärts/Aufwärtswandler ist an die Batterie angeschlossen, während der Protector-IC Schutz vor verschiedenen Fehlerzuständen, die entlang des Koaxialkabels auftreten können, gewährleistet. Auf dem Remote-Kameramodul versorgen zwei Zweikanal-Abwärtswandler den Bildsensor und den Serializer mit Strom.

Buck-Boost für Start-/Stopp und Kaltstart

Autos mit Verbrennungsmotor können bis zu 10% des Kraftstoffverbrauchs einsparen, wenn der Motor im Leerlauf abgeschaltet wird. Typischerweise liefert die Autobatterie eine Spannung von 13,5 V, die aber bei einer voll geladenen Batterie bis zu 16 V betragen kann. Fahrzeuge, die die Start-/Stopp-Technologie verwenden, leiden unter großen Spannungseinbrüchen beim Starten des Motors, so dass die Spannung der Batterie bis auf 6 V oder weniger einbrechen kann.

Noch schwieriger ist der Kaltstart von Verbrennungsmotoren. Bei kalter Witterung kann die Spannung der Autobatterie beim Start des Motors bis auf 5 V oder weniger absinken. Bemerkenswerterweise haben Elektroautos mit keinem der beiden Probleme zu kämpfen.

Ein Buck-Boost-Wandler regelt bei weiten Eingangsspannungsschwankungen nach oben und unten seine Ausgangsspannung. Bild 3 zeigt die Abwärts-/Aufwärts-Power-Architektur. Bei VIN > VOUT regelt das IC im Buck-(Step-down)-Modus, während es bei VIN < VOUT nahtlos in den Boost-(Step-up)-Betrieb übergeht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausgangsspannung VOUT reguliert bleibt und störungsfrei ist. So wird der gesamte Spannungsbereich der Batterie abgedeckt und die Ausgangsspannung in jedem Modus hocheffizient erzeugt.

Schutz vor Masse- und Batterieschluss

Die häufigsten Probleme mit den Kabeln und Leitungen, die sich durch das ganze Fahrzeug ziehen, resultieren aus der Beschädigung der Leitungen selbst oder dem versehentlichen Anschluss an die Fahrzeugmasse oder die Hauptbatterieversorgung. Eine Verbindung mit der Masse ist potenziell gefährlich, da die Geräte auf dem Kabel einen hohen Stromfluss verursachen können, der in die Fahrzeugmasse abgeleitet wird. Dies kann zu einer Überhitzung und Beschädigung führen, wenn sie nicht über einen eingebauten Schutz verfügen.

Auch der Anschluss an die Batterieversorgungsleitung kann eine Gefahr darstellen: Ein elektrisches Gerät, das nur mit 5 V betrieben werden soll, wird plötzlich an eine Quelle mit einer höheren als der zulässigen Spannung angeschlossen. Das kann im Extremfall dazu führen, dass das Gerät durch die Autobatterie beschädigt wird und dann viel Strom zieht, da die Batterien Hunderte von Ampere erzeugen können. Es wäre sogar denkbar, dass es dabei zu einer Explosion kommt.

Im Automobilbereich wird eine unbeabsichtigte Verbindung zur Masse oder zur Batterie als „Short to Ground“ (STG; Masseschluss) bzw. „Short to Battery“ (STB; Batterieschluss) bezeichnet. Ein STB-Schutz verhindert eine Überspannung an den Ausgängen. Ein STG-Schutz begrenzt den aus dem Kurzschluss resultierenden Geräte-Senken-/Quellenstrom.

Ein Schutz vor Masseschluss oder Batterieschluss direkt am Batterie-Front-End ist von großer Bedeutung. Sicherheitsfunktionen im Protector helfen, alle nachgeschalteten Schaltkreise vor Schäden zu schützen.

Integrierter Buck-Boost-Wandler

Mit einem geeigneten Buck-Boost-Wandler lassen sich sowohl Steuer- als auch vier DMOS-Leistungstransistoren mit niedrigem RDS(ON) und hohem Wirkungsgrad in einem kleinen Gehäuse integrieren. Das IC muss die strengsten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen im Automobilbereich erfüllen. Störungen am Ausgang aufgrund von Eingangsspannungsschwankungen können durch das schnelle Leitungstransientenverhalten des Reglers minimiert werden. Bild 4 zeigt ein Beispiel: Eine positive Eingangstransiente von 3,5 bis 13,5 V verursacht eine Abweichung von nur +50 mV an einem 5-V-Ausgang, wobei nur eine Ausgangskapazität von 22 μF verwendet wird. Umgekehrt bewirkt eine negative Eingangsspannungstransiente in Bild 5 ebenfalls eine Abweichung von nur –50 mV am Ausgang. Eine schnelle Lasttransientenreaktion hilft, die Größe der Ausgangspassiven zu minimieren. Dabei sollte das IC auch über eine Load-Dump-Toleranz für 40-V-Anwendungen verfügen.

Kleine Leiterplattengröße

Bild 6 zeigt ein Beispiel, in dem die gesamte Buck-Boost-Funktion dank eines hohen Integrationsgrades und eines kleinen TQFN-20-Gehäuses (4 mm x 4 mm) nur eine kleine Fläche von 277 mm2 beansprucht.

Ausgangsschutz

Der Vierfach-Power-Kameraschutz-IC in Bild 7 begrenzt den Laststrom auf jedem der vier Ausgangskanäle. Jeder Ausgang ist individuell vor Masseschluss, Batterieschluss und Überstrombedingungen geschützt. Der niedrige RDS(ON) der beiden Back-to-Back-DMOS-Transistoren gewährleistet eine geringe Verlustleistung, während ein kleines Gehäuse die Größe der Leiterplatte minimiert. Der IC sollte mit einem Enable-Eingang und einer I2C-Schnittstelle zum Auslesen des Diagnosestatus des Bausteins ausgestattet sein. Ein On-Board-A/D-Wandler ermöglicht das Auslesen des Stroms über jeden Schalter. Die ASIL-B/D-konformen Versionen unterstützen das Auslesen zusätzlicher Diagnosemessungen durch den A/D-Wandler, wodurch eine höhere Fehlerabdeckung gewährleistet wird.

Stromversorgung der Remote-Kamera

Die Remote-Kameramodule mit ihrem On-Board-Power-Management-System müssen klein, effizient und kostengünstig sein. Die Integration von zwei Abwärtswandlern für den kaskadierten Betrieb, die beide bei oder nahe der Volllast arbeiten, und ein hohes Tastverhältnis sind für diese Anwendung ideal (Bild 8). Die Abdeckung der vier abgesetzten Kameraschienen mit zwei kaskadierten Dual-Buck-Wandler-ICs spart Platz und sichert die Effizienz.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 14/2020 (Download PDF)

Fazit

Entlang des Strompfades von der Autobatterie zur Remote-Kamera stellen sich zahlreiche technische Herausforderungen. An der Schnittstelle zur Batterie gibt es starke Leitungstransienten, die durch Load Dump-, Start-/Stopp- und Kaltstart-Betrieb induziert werden. Die Übertragung von Strom und Daten auf langen Koaxialkabelbündeln erfordert den Schutz vor verschiedenen Kurzschlussmodi (Masseschluss, Batterieschluss). Remote-Kameras sind klein und erfordern platz- und stromsparende Lösungen. Der Beitrag stellt für jede Herausforderung Lösungen vor, die die strengen Anforderungen hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit im Automobilbereich erfüllen, stromsparend sind und nur eine kleine Leiterplattenfläche beanspruchen. Der Buck-Boost-Wandler MAX20039 von Maxim bietet eine effektive Stromversorgung per Power-over-Coax. Der Vierfach-Kamera-Power-Schutz-IC MAX20087 ist ein kompaktes, effizientes Schutz-IC. Der Zwei-Kanal-Abwärtswandler MAX20019 liefert hohe Effizienz auf kleinem Raum. Dieses Trio von ADAS-ICs versorgt den Pfad von der Autobatterie zu den Remote-Kameras effektiv mit Spannung und Strom und schützt ihn.

* Bryan Dick ist Senior Applications Engineer bei Maxim Integrated.

* Chikara Kakizawa ist Applications Engineer bei Maxim Integrated.

* Chintan Parikh ist Executive Business Manager bei Maxim Integrated.

* Dr. Nazzareno (Reno) Rossetti ist Experte für Analogtechnik und Power-Management bei Maxim Integrated.

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