por Sebastiano Grasso, Leonardo Agatino Miccoli, Giusy Gambino, Filippo Scrimizzi, STMicroelectronics, Catania, Itália
O cenário automotivo evolui constantemente, impulsionado pela crescente demanda por automação, melhorias de segurança e eficiência energética. Dentro deste ambiente dinâmico, a implantação de motores DC em aplicações em carrocerias automotivas ganhou destaque significativo. Esses motores versáteis encontram aplicação tanto em veículos de combustão tradicionais quanto em veículos elétricos modernos, atendendo a diversas funções, como travamento de portas, controle de janelas, operação de bombas, ajustes de direção e alimentação do porta-malas. O emprego de drivers de motor de silício dedicados para controlar motores CC oferece muitas vantagens, incluindo maior confiabilidade, facilidade de uso, recursos abrangentes de monitoramento e proteção e a capacidade de implementar recursos avançados de acionamento.
Uma maneira notável de introduzir recursos avançados e luxuosos é utilizar sinais de entrada PWM (modulação por largura de pulso) para acionar motores. O ajuste do ciclo de trabalho do sinal PWM permite uma modulação precisa da velocidade e do torque do motor. No entanto, o uso de sinais PWM pode introduzir interferência eletromagnética (EMI) substancial, levando potencialmente a complicações como interferência de radiofrequência e distorção de sinal. Em casos graves, a EMI pode representar sérios riscos à segurança ao interferir em sistemas críticos do veículo, como airbags, freios antibloqueio e controle eletrônico de estabilidade. Portanto, torna-se imperativo projetar e operar meticulosamente o motor e seus circuitos de controle para minimizar a EMI e garantir a operação confiável de todos os sistemas eletrônicos do veículo. Este objetivo pode ser alcançado através de seleção prudente de componentes, técnicas de aterramento e blindagem de som e mecanismos de filtragem eficazes que reduzam o ruído de comutação e outras fontes de EMI.
Controle do motor da coluna de direção
As montadoras recorrem cada vez mais a motores CC escovados para aplicações na coluna de direção de veículos, a fim de aprimorar a experiência de direção, melhorar o conforto do motorista e reforçar as medidas de segurança. Dentro da coluna de direção, motores de elevação e mudança são comumente usados para ajustar a altura e a posição do volante. O motor de elevação facilita a elevação ou descida da coluna de direcção para acomodar condutores de várias alturas, enquanto o motor de mudança permite o movimento do volante para a frente e para trás para garantir uma posição de condução confortável. A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos típico para esta aplicação.
Figura 1. Diagrama de blocos da coluna de direção com dois motores.
A arquitetura típica para acionar um motor CC bidirecional é a configuração ponte H. A família ST VIPower M0-7 VNH7 apresenta vários drivers de motor DC especialmente adaptados para aplicações automotivas. Combinando funções lógicas e estruturas de energia em um único pacote, essas pontes H VIPower M0-7 oferecem recursos de acionamento, proteção, gerenciamento de falhas e recursos avançados de diagnóstico, ao mesmo tempo em que minimizam o espaço físico. Entre estes, os modelos VNHD7008AY e VNHD7012AY são excelentes opções para controlar atuadores de coluna de direção. Alojados no pacote PowerSSO-36, eles garantem integração direta em projetos novos ou existentes. O VNHD7008AY/VNHD7012AY requer dois MOSFETs de alimentação externos para completar a funcionalidade do driver. Os produtos de alto desempenho da STMicroelectronics, STL76DN4LF7AG e STL64DN4F7AG, são projetados com base na tecnologia STripFET F7 e possuem qualificação AEC Q101, tornando-os ideais para aplicações automotivas. O pacote PowerFLAT 5×6 de ilha dupla é outro recurso digno de nota, conservando o precioso espaço do PCB.
O VNHD7008AY / VNHD7012AY permite operação de motor duplo nos modos horário e anti-horário, com frequência de 20 kHz e fonte de alimentação pulsada com ciclo de trabalho de 85%.
Teste EMI
Para medição EMI dentro de uma faixa de frequência específica, é implantada uma configuração especializada que emprega uma antena monopolo de haste de acordo com o padrão internacional CISPR 25. Essas medições são realizadas em uma câmara anecóica para minimizar interferências externas, conforme ilustrado na Figura 2.
Fig. 2 Diagrama de blocos da configuração do teste EMI.
Esta configuração é composta por vários componentes, incluindo o equipamento em teste (EUT), que é aterrado localmente de acordo com o plano de teste, um simulador de carga (Load sim), uma rede artificial (AN) e uma estrutura de suporte com baixa permissividade relativa. (εr ≤ 1,4). A antena de haste usada na configuração normalmente mede 600 mm por 600 mm, garantindo medições EMI precisas e confiáveis por meio de um receptor de teste de emissão posicionado fora da câmara. Os parâmetros do receptor estão alinhados com o padrão CISPR 25, conforme detalhado na Tabela 1.
Aba. 1 Parâmetros de emissão do receptor de teste (norma CISPR 25).
A tabela fornecida acima (Tabela 1) exibe diferentes tipos de transmissões, que são definidos da seguinte forma:
- LW: onda longa
- MW: onda média
- SW: Onda curta
- FM: Modulação de frequência
- Banda de TV: Banda de televisão
- DAB: transmissão de áudio digital
- TDT: televisão digital terrestre
- SDARS: Serviço de rádio de áudio digital via satélite.
Diretrizes para mitigação de EMI
Os resultados experimentais nos informam sobre diretrizes para otimizar EMI em uma aplicação de coluna de direção empregando o driver de motor DC VNHD7008AY ou VNHD7012AY.
- Condição inicial
A coluna de direção não possui aterramento na placa de aplicação original e não há rede de compensação instalada. As emissões são registradas usando detectores de pico e média, conforme mostrado na Figura 3.
Fig. 3 Formas de onda de emissão medidas com a placa original.
A banda AM (modulação de amplitude), abrangendo LW, MW e SW, apresenta níveis elevados de emissão. Notavelmente, as emissões na faixa de frequência de 0,5 MHz a 1,7 MHz ultrapassam os limites especificados.
- Conexão à terra
Uma diretriz eficaz, validada através de experimentação, envolve o aterramento direto do corpo da coluna de direção. Os perfis de emissão para valores médios e de pico após esta modificação são apresentados na Fig.
Fig. 4 Formas de onda de emissão medidas com conexão terra.
A análise revela que o aterramento do corpo da coluna de direção melhora o desempenho de EMC (compatibilidade eletromagnética). No entanto, é importante notar que essas emissões resultam principalmente dos harmônicos do sinal PWM (modulação por largura de pulso) e das bordas nítidas e assimétricas das formas de onda ascendentes e descendentes. O gerenciamento do ruído de entrada torna-se um desafio devido ao alto fluxo de corrente na linha da bateria, necessitando de filtros indutores de corrente de alta saturação que podem impactar o custo geral da aplicação.
- Desacelerando as bordas da mudança
Para minimizar as emissões na faixa de 0,5 MHz a 1,7 MHz, recomenda-se reduzir a velocidade das bordas de comutação e otimizar o equilíbrio entre as bordas de subida e descida. Várias ações podem ser tomadas, conforme ilustrado na Fig.
Fig. 5 Diagrama de blocos com otimização do circuito.
A incorporação de um capacitor de dreno de porta adicional aumenta a capacitância total de dreno de porta, desacelerando efetivamente a fase de comutação dos MOSFETs de potência LS. Aumentar a resistência da porta dos MOSFETs e introduzir um circuito de acionamento de porta assimétrico equilibra as formas de onda de comutação ascendentes e descendentes. Modificar o valor da capacitância do filtro de entrada ajuda ainda mais na redução das emissões dentro desta faixa de frequência.
3.1 Capacitor de dreno de porta extra
A adição de um capacitor de dreno de porta extra aos MOSFETs de alimentação externa LS resulta em uma redução média das emissões em aproximadamente 10 dBµV/m na faixa de frequência de 0,5 MHz a 0,8 MHz e cerca de 20 dBµV/m entre 0,8 MHz e 1,7 MHz. . Esta melhoria permanece consistente independentemente de o corpo da coluna de direção estar aterrado, embora o aterramento possa reduzir ainda mais a interferência eletromagnética e melhorar o desempenho geral do sistema. Recomenda-se um valor máximo de 470 pF para o capacitor de dreno de porta extra para evitar desligamento abrupto do sistema. O aumento excessivo na inclinação crescente de comutação pode acionar a proteção VDS (tensão de fonte de drenagem) incorporada no VNHD7008AY/VNHD7012 (projetada especificamente para proteger o motor contra curtos-circuitos na linha da bateria). Embora valores de capacitância mais altos (até 560 pF) possam ser aceitáveis, eles não são recomendados devido a variações nos valores de capacitância e na tolerância da faixa de temperatura. Um valor de 470 pF garante uma margem segura, levando em consideração esses fatores. A Figura 6 mostra os melhores resultados obtidos com esta modificação do circuito, incorporando o capacitor extra de drenagem e uma coluna de direção aterrada.
Fig. 6 Formas de onda de emissão medidas com conexão à terra
e capacitor de dreno de porta extra.
3.2 Acionamento de portão assimétrico
Esta otimização do circuito envolve aumentar a resistência da saída dos drivers do motor DC até a porta dos MOSFETs LS, conforme indicado na Fig.
Fig. 7 Circuito proposto para acionamento de portão assimétrico.
Para reduzir as emissões eletromagnéticas, duas soluções podem ser implementadas. A primeira solução envolve aumentar a resistência da porta (R1) de 470 Ω para 1 kΩ. A segunda solução envolve a introdução de um diodo (D1) com uma resistência (R2) ajustada em 470 Ω para obter acionamento assimétrico da porta. Além disso, aumentar a capacitância de drenagem da porta pode resultar em formas de onda de comutação mais equilibradas, com bordas ascendentes e descendentes mais suaves nos terminais do motor. A Figura 8 demonstra a eficácia destas soluções na redução de emissões, assumindo um corpo de coluna de direção aterrado.
Fig. 8 Formas de onda de emissão medidas com conexão à terra
e acionamento assimétrico do portão.
Esta solução proposta mantém os níveis de emissão abaixo dos limites normativos da norma CISPR 25 dentro da faixa de frequência de 0,9 MHz a 1,7 MHz. Para esclarecer o efeito do gate driver assimétrico, vale a pena considerar algumas medições de teste realizadas em uma placa de aplicação carregada com uma carga simulada resistiva-indutiva (RL), incluindo um resistor de 2 Ω com um indutor de 13 µH. Com um resistor de porta de 470 Ohm montado nas portas LS MOSFET, as bordas de comutação descendentes são significativamente mais rápidas (cerca de 170 ns) do que as bordas ascendentes (cerca de 800 ns). A introdução do gate driver assimétrico com valores especificados resulta em formas de onda de comutação decrescentes e ascendentes mais equilibradas. A Figura 9 fornece uma representação visual dessas formas de onda.
Fig. 9 Formas de onda de comutação medidas com acionamento de porta assimétrica.
Em resumo, a combinação de tempos de comutação equilibrados de subida e descida e velocidade de comutação controlada conduz a uma redução global nos níveis de emissão, particularmente na gama de frequências associada à EMI.
3.3 Capacitância Extra de Filtragem
É aconselhável incluir um capacitor extra no filtro de entrada equipado com um indutor de 1 µH para reduzir ainda mais as emissões, principalmente na faixa de frequência mais baixa. O impacto cumulativo de todas as modificações sugeridas é demonstrado na Fig. 10, mostrando os espectros medidos de pico e médio.
Fig. 10 Formas de onda de emissão medidas com todas as modificações de circuito sugeridas.
Embora um intervalo de frequência menor ainda possa exibir emissões que excedem os limites padrão, isso pode ser resolvido através da implementação de um filtro de entrada adicional, oferecendo melhorias potenciais de desempenho que variam de um mínimo de 10 dBµV/m a um máximo de 30 dBµV/m. No entanto, isto pode ter implicações em termos de custos para a aplicação global.
Conclusões
Uma análise comparativa do espectro de emissão no cenário inicial (linha azul) e a solução proposta (linha amarela) é apresentada na Fig. 11, resumindo as melhorias globais alcançadas.
Fig. 11 Uma comparação das emissões medidas entre o caso inicial e todas as soluções sugeridas.
As modificações recomendadas na aplicação reduzem efetivamente a taxa de emissão de um sistema de controle de motor CC, garantindo a conformidade com os limites de especificação do padrão CISPR-25 dentro da faixa de frequência de 0,5 MHz – 1,7 MHz. A Tabela 2 resume a redução média nos picos de emissões alcançada através da implementação sequencial de diferentes soluções.
Tabela 2 Reduções médias de picos de emissões.
Os resultados ressaltam a eficácia das modificações propostas na redução das taxas de emissão em uma aplicação de sistema de controle de motor CC e na garantia da conformidade com os limites de especificação do padrão CISPR-25. Isto é fundamental para a operação confiável e segura do sistema.
