Sensori magnetici di posizione motore a doppio die per applicazioni By-Wire ASIL D

Gli attuatori automotive critici per la sicurezza richiedono una telemetria continua e ad alta integrità della posizione del rotore per preservare la stabilità del veicolo in presenza di disturbi elettrici, meccanici o magnetici. TDK Corporation ha sviluppato il Micronas HAR 3025, un sensore di angolo magnetico a doppio die (dual-die) immune ai campi dispersi, progettato per fornire un feedback analogico ridondante di seno e coseno destinato a sistemi mission-critical di servosterzo elettrico, steer-by-wire, brake-by-wire e motori di trazione ad alta tensione.

Interferenze elettromagnetiche nella moderna elettrificazione dei veicoli
La transizione verso architetture steer-by-wire e di frenatura elettromeccanica elimina i collegamenti meccanici tradizionali tra il guidatore e il telaio. In questi sistemi fail-operational, la centralina di controllo motore non può semplicemente spegnersi quando si verifica un'anomalia; deve continuare a funzionare senza interruzioni. Parallelamente, l'elettrificazione dei propulsori colloca i sensori di posizione a stretta vicinanza fisica con barre collettrici (busbar) ad alta corrente, stadi di commutazione degli inverter e motori di trazione. Questa elettronica di potenza genera intensi campi magnetici dispersi sia in corrente continua (DC) che alternata (AC), in grado di distorcere le letture d'angolo dei sensori convenzionali e degradare la precisione di commutazione.

Per mantenere l'accuratezza di posizionamento senza incrementare la massa, l'ingombro del packaging e i costi di distinta base (BOM) derivanti da schermature magnetiche esterne o magneti target sovradimensionati, l'hardware del sensore deve integrare una reiezione di modo comune nativa. Inoltre, la guida autonoma di Livello 3 e superiore impone un'indipendenza hardware a doppio canale per soddisfare i più rigorosi criteri di sicurezza funzionale senza ampliare le dimensioni fisiche dell'involucro.

Architettura del sensore a die sovrapposti e principi di rilevamento
Il Micronas HAR 3025 risponde a questi vincoli di packaging e affidabilità integrando due die completamente indipendenti, impilati verticalmente all'interno di un unico package QFN24 da 4 × 4 millimetri dotato di fianchi bagnabili (wettable flanks) per l'ispezione ottica automatizzata. Poiché i die sovrapposti condividono centri di sensibilità magnetica coincidenti, entrambi i canali intercettano l'identico vettore di campo magnetico generato da un semplice magnete target a due poli posizionato all'estremità dell'albero (end-of-shaft). Questo allineamento fisico consente alla centralina elettronica di eseguire controlli di plausibilità in tempo reale senza dover applicare offset matematici dovuti a disallineamenti laterali dei die.

Ciascun die integra una matrice di sei piastrine Hall orizzontali abbinata a un'elaborazione del segnale differenziale. In conformità ai requisiti della norma ISO 11452-8:2015, la topologia differenziale misura il gradiente del campo del magnete target cancellando al contempo i campi magnetici dispersi esterni omogenei. Il dispositivo rileva densità di flusso magnetico su un ampio intervallo compreso tra ±5 millitesla e ±250 millitesla.

Implementazione della sicurezza funzionale e gestione dei guasti
Sviluppati come Safety Element out of Context (SEooC) secondo la norma ISO 26262:2018, entrambi i die all'interno del sensore soddisfano in modo indipendente le metriche di sicurezza ASIL D. La separazione fisica ed elettrica assicura che un malfunzionamento su un die non si propaghi all'altro. Qualora un canale rilevi una condizione di errore, il secondo canale prosegue il funzionamento alla massima velocità per preservare la capacità fail-operational a livello di sistema.

Moduli di diagnostica on-chip monitorano costantemente i parametri critici, inclusi la stabilità del clock interno, i livelli di tensione di alimentazione, la temperatura di giunzione, l'integrità dell'elaborazione del segnale Hall, i registri di configurazione e la memoria non volatile EEPROM. Al rilevamento di un'anomalia interna, il die interessato commuta le proprie uscite analogiche in uno stato ad alta impedenza, consentendo a circuiti esterni di pull-up o pull-down sullo stadio di ingresso del microcontrollore di identificare e isolare l'errore.

Precisione delle uscite analogiche e condizionamento del segnale
Il sensore fornisce misurazioni angolari a 360 gradi senza contatto a velocità di rotazione fino a 60.000 giri al minuto. Le uscite sono strutturate come segnali analogici raziometrici di seno e coseno, disponibili sia in configurazione differenziale che a terminazione singola (single-ended). La catena di segnale analogica mantiene un jitter del tempo di ritardo ridotto, con valori RMS contenuti entro 2 nanosecondi, favorendo un controllo vettoriale accurato e la soppressione del ripple di coppia in motori brushless a corrente continua (BLDC), sincroni a magneti permanenti (PMSM) e macchine a induzione AC.

Operando su un intervallo di tensione di alimentazione da 3,0 volt a 5,5 volt, l'unità funziona a temperature di giunzione comprese tra -40 gradi Celsius e 170 gradi Celsius, con temperature ambiente nominali fino a 150 gradi Celsius. La calibrazione statica durante i collaudi di fine linea garantisce un errore angolare totale pari o inferiore a 0,6 gradi, ulteriormente ottimizzabile fino a 0,1 gradi o meno mediante algoritmi di compensazione dinamica sul microcontrollore.

I parametri della catena del segnale — inclusi guadagno, offset, riferimento di angolo zero, correzione di ortogonalità e quattro limiti di larghezza di banda selezionabili tra 4,6 kilohertz e 70,5 kilohertz — sono programmabili direttamente tramite i pin di uscita. Questa metodologia di calibrazione a singolo filo elimina la necessità di pin di programmazione dedicati. Campioni commerciali per l'ingegnerizzazione sono attualmente disponibili per le validazioni dei fornitori automobilistici Tier-1, con l'avvio della produzione in serie su larga scala previsto per la prima metà del 2027.

Contesto aggiuntivo:
Questa sezione descrive nel dettaglio specifiche tecniche e analisi comparative non incluse nell'annuncio originale del prodotto.

Il mercato dei sensori di posizione per motori automobilistici impiega diverse topologie di rilevamento primarie, tra cui matrici a effetto Hall e architetture magnetoresistive anisotrope (AMR), giganti (GMR) e a effetto tunnel (TMR). Nelle applicazioni x-by-wire ad alta potenza, i sensori a matrice Hall restano ampiamente adottati grazie ai loro elevati limiti di saturazione magnetica e alla collaudata compensazione dei campi dispersi basata sui gradienti spaziali di campo; al contrario, i dispositivi magnetoresistivi privi di schermatura possono saturare in presenza di campi esterni intensi superiori a 2-5 millitesla, salvo l'impiego di schermature dedicate o correzioni algoritmiche.

Nel panorama competitivo dei sensori di posizione ridondanti ASIL D, il Micronas HAR 3025 compete direttamente con soluzioni dual-die quali le serie Allegro MicroSystems A33020 e A33230, la famiglia Melexis MLX90380 e MLX90423 e i prodotti dual-die Infineon XENSIV TLE5014. Mentre soluzioni come l'Allegro A33020 integrano anch'esse l'immunità ai campi dispersi con interfacce digitali e analogiche in package a montaggio superficiale, gli approcci costruttivi variano tra disposizioni affiancate (come nei package TSSOP-16) e die impilati verticalmente (come nei formati compatti QFN da 4 × 4 millimetri).

Le configurazioni a die impilati offrono un vantaggio meccanico intrinseco eliminando l'errore di parallasse spaziale tra i canali, assicurando che entrambi gli elementi sensibili leggano identici angoli di campo magnetico senza richiedere correzioni di sfasamento nel firmware. La conformità alle condizioni di test di Livello 4 della norma ISO 11452-8:2015 richiede che i dispositivi sopportino campi magnetici DC e AC fino a 4.000 ampere al metro (circa 5 millitesla) alle basse frequenze senza superare i limiti di errore angolare. Ampie larghezze di banda in uscita superiori a 50 kilohertz, combinate con ritardi di gruppo inferiori al microsecondo, rappresentano ormai lo standard di riferimento del settore per la commutazione ad alta velocità dei motori di trazione nei veicoli elettrici, al fine di minimizzare il ripple di coppia e le perdite di commutazione degli inverter di potenza.

A cura di Natania Lyngdoh, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

www.micronas.tdk.com