Autor: Stefan Kouba, European Marketing Manager – Automotive Products Group Microchip Technology Inc.
Nuevos estándares de iluminación en aplicaciones de iluminación interior
La industria del automóvil vive una auténtica revolución por el auge de los vehículos autónomos y sin conductor. Estos cambios están llevando a los fabricantes a ofrecer soluciones novedosas y creativas a sus clientes. El objetivo es pasar de ser un suministrador puro de hardware a un suministrador de servicios, algo primordial al desarrollar soluciones para el futuro como fabricante de coches.
Para incorporar nuevas funciones al coche, la arquitectura del coche experimenta una importante transición. En el pasado, los sistemas estaban constituidos por centenares de unidades de control electrónico (ECU, por Electronic Control Units) para la puerta, el motor y el techo, distribuidas por todo el coche. Estas arquitecturas facilitan la integración de las actualizaciones inalámbricas en campo y los cambios en el tiempo de ejecución con esta descentralización.
La descentralización es un importante factor que aumenta la necesidad de una arquitectura centralizada en un vehículo. Los modelos para la nueva arquitectura requieren unas velocidades de transmisión de los datos más elevadas y esto influye sobre el funcionamiento de las topologías del bus y de otras tecnologías. Ethernet, una red bien conocida y consolidada que procede del mundo de la electrónica de consumo, ahora es ampliamente utilizada en los sistemas de automoción. Ethernet es un estándar muy consolidado que ofrece flexibilidad en varias topologías (anillo, estrella, p2p) y proporciona altas velocidades de transmisión de los datos del orden de centenares de gigabits por segundo. Su flexibilidad también permite transmitir los datos a tan solo 10 megabits por segundo con el reciente estándar 10BASE-T1S.
Para velocidades muy bajas, desde kilobits por segundo hasta varios Mbps, también existen SENT y LIN que se utilizan como bus para nodos de sensores, así como CAN FD (CAN Flexible Data. El coste de CAN FD es un inconveniente, mientras que LIN ofrece una velocidad limitada de los datos pero su coste es muy reducido.
Fabricantes como BMW, por ejemplo, tratan de solventar esta cuestión con la tecnología ILAS – ISELED Light and Sensor Network. ILAS tiene su origen en la invención de los ISELED (Intelligent Smart Embedded LED). ISELED permite utilizar un bus diferencial de dos hilos para que las velocidades de transmisión de los datos sea lo bastante altas como para proporcionar efectos dinámicos de luz con los LED de iluminación ambiental en el sistema del interior. Este bus basado en una placa de circuito impreso es suficientemente rápido con sus 2Mbit por segundo. El sistema ILAS es un desarrollo posterior de este sistema que lleva esta tecnología a un bus por cable para alcanzar distancias más largas dentro del vehículo. La idea es que el sistema LED de luz ambiente se conecta por cable del lado izquierdo al derecho hasta llegar a los módulos de las zonas en las puertas, la parte trasera y el techo. La reutilización de LED para transmitir los datos también a otras zonas permite reducir el coste, el peso y la complejidad del cable en otras aplicaciones, como los sensores.
Estos transceptores ILAS se pueden combinar con LED ISELED, 4076 ISELED o nodos ILAS y se pueden interconectar a 2Mbps. Con ILAS, el sistema se prolonga por medio de cableado de par trenzado no blindado para alcanzar también mayores distancias. Como se ha señalado antes, BMW ha estipulado que a partir de 2025 todos sus coches utilicen Ethernet 10/100/1000 Mbit para las conexiones en el interior del coche. BMW también ha recurrido a ILAS para conectar el sistema de iluminación interior con las zonas de las puertas y el techo. En las zonas se pueden utilizar LED ISELED para la iluminación ambiental, así como LED blancos de lectura o botones táctiles capacitivos; por ejemplo, en el módulo del techo (Figura 1).
Figura 1: Varios estándares de comunicación, ISELED y detección táctil capacitiva.
Se necesita un controlador principal para manejar el protocolo ISELED, y es aquí donde Microchip puede ser de ayuda gracias a nuestras soluciones flexibles. Nuestros microcontroladores, bien sean de 8, 16 o 32 bits, se pueden conectar a nuestros dispositivos 10BASE-T1S MAC y PHY Ethernet, y también pueden crear un puente entre Ethernet y uno o más canales ILAS a los que se pueden conectar los transceptores (Figura 2).Por otro lado, nuestros microcontroladores se pueden conectar a ASIC ILAS y establecer una comunicación para disponer de conectividad ILAS/ISELED, LED Drive para lámparas de lectura y botones y controles deslizantes de tipo táctil capacitivo.
Figura 2: Ejemplo de bridge entre Ethernet multicanal e ILAS.
Mediante el uso de las mismas soluciones basadas en microcontroladores también podemos cubrir otros estándares nuevos en el ámbito de la iluminación. Dado que van apareciendo nuevas soluciones, la flexibilidad de los periféricos CIP (Core Independent Peripherals) permite que el sistema sea compatible con MeLiBu o con nuevos estándares de LED como el protocolo Osire OSP de OSRAM, que es abierto y gratuito. Esto ofrece a los desarrolladores la ventaja de centrarse en soluciones basadas en plataformas y seguir cubriendo la solicitud de diferentes estándares de diversos fabricantes. Proporcionamos soporte a los proveedores de AUTOSAR que ofrecen OSEK y BSW con nuestros MCAL, que están desarrollados con SPICE y cumplen las especificaciones de ASIL. Nuestros microcontroladores de 16 y 32 bits tienen seguridad integrada y también suministramos productos de menor nivel de 8 y 16 bits cuando los dispositivos son más flexibles pero de función fija. Podemos preprogramar el código en nuestros microcontroladores durante la producción, deshabilitar la programación y depurar las interfaces con el fin de limitar la necesidad de módulos de seguridad, cargadores de arranque y AUTOSAR para minimizar el nodo final en el que se basa la arquitectura zonal.
Implementación digital en iluminación exterior
La implementación de una arquitectura zonal para el sistema de iluminación interior recurre a fabricantes de LED o suministradores de semiconductores para incluir nuevos protocolos y estándares. ¿Pero qué ocurre con el ámbito de la iluminación exterior?
La tendencia hacia la electromovilidad está muy centrada en aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos. Las continuas mejoras encaminadas a reducir las emisiones de CO2 también tienen una gran influencia a la hora de disponer de soluciones más eficientes y compactas en el vehículo.
Un elemento que influye sobre la duración de la batería es el sistema de iluminación exterior, de ahí que la implementación de LED haya experimentado un fuerte crecimiento. Junto con la eficiencia, la necesidad de varios sistemas de luces LED en el vehículo, en la parte delantera y trasera, también afecta al coste en mayor medida que otros sistemas. Los proveedores de Nivel 1 en este segmento siempre buscan avances que mejoren la eficiencia, el espacio ocupado y el coste con el fin de que las topologías utilizadas aprovechen el hardware al máximo.
Aunque en el pasado la topología SEPIC ha sido muy utilizada para disminuir o aumentar los niveles necesarios de tensión dependiendo de la tensión de la batería del coche, la eficiencia de una topología como esta ha alcanzado sus límites. Por eso en ciertas áreas se ha planteado cada vez más el uso de una topología Buck Boost (reductora-elevadora) con hasta 4 interruptores. El problema es que la topología SEPIC resulta más económica por su empleo de componentes pasivos en condensadores e inductancias que la topología Buck Boost de 4 interruptores.
Por eso los expertos tratan de cambiar y adaptar la manera de implementar cadenas de LED. Se puede utilizar microcontroladores estándar con un coste muy bajo pero solo desempeñando funciones de supervisión y comunicación, como CAN FD y LIN, mientras que los LED se han conectado a través de un periférico serie a un SEPIC o Buck analógico. En los convertidores boost, la circuitería controlada digitalmente para interruptores, FET y drivers es más eficiente que si fuera analógica. Gracias a estas mejoras, un SEPIC puede ser más eficiente o la topología Buck Boost puede reducir su número de interruptores de cuatro a dos más dos diodos; de este modo aumenta la eficiencia y disminuye el coste.
La otra ventaja de una arquitectura digital es la disponibilidad de software, la flexibilidad y la escalabilidad de la solución. De esta forma se aceleran el tiempo de reacción y el rendimiento de la inversión al elaborar prototipos, modelos de demostración y los primeros productos a nivel de hardware.
La Figura 3 muestra el desarrollo de nuestra tarjeta LEAH (Low End Automotive Headlamp), un prototipo que demuestra la capacidad de una solución de este tipo cuando se reducen los componentes pasivos, el elemento de refrigeración puede ser más pequeño, puede disminuir el coste del metal y de la carcasa para demostrar la posibilidad de reducir el coste total del sistema.
Con esta plataforma se puede demostrar que el control digital funciona muy bien con los faros delanteros, las luces de carretera, las luces de cruce, los intermitentes y las luces de circulación diurna. También se observa que la detección de corriente high side, SEPIC y la topología Buck Boost de 4 interruptores alcanzan una eficiencia del 95% en condiciones nominales. La seguridad funcional con ASIL-B y la funcionalidad de las luces de reserva se pueden considerar demostradas y probadas. Dado que el factor de forma se puede minimizar lo máximo posible, la eficiencia además es más compacta.
Figura 3: LEAH (Low End Automotive Headlamp).
El diseño pertenece íntegramente a Microchip, tanto el hardware como el software, y se puede adaptar con facilidad a los requisitos de los clientes por lo que se refiere a diferentes topologías, cadenas de LED y niveles de comunicación, tanto LIN como CAN FD. También se puede extender fácilmente con funcionalidad Ethernet 10BASE-T1S.
Figura 4: Ejemplo de diagrama de bloques de un faro delantero para la máxima eficiencia.
Con una plataforma así se pueden realizar pruebas y demostraciones con una solución flexible y escalable de bajo coste. La eficiencia de los circuitos y la posibilidad de obtener un diseño compacto impulsará la iluminación exterior y la seguridad funcional en los diseños de automóviles de próxima generación. Podemos alcanzar una eficiencia de hasta el 96% con la topología Buck Boost de 4 interruptores y del 89% con SEPIC (Figura 4).
Al implementar AUTOSAR hay que tener en cuenta muchos factores ya que se debe integrar un software complejo, por ejemplo de protección y seguridad. El paquete de evaluación de software AUTOSAR utiliza la tarjeta de desarrollo Explorer 16/32 y el dsPIC33CK1024MC710 GP PIM para demostrar la integración de MCAL, AUTOASR OS y BSW con el fin de permitir su evaluación y de acelerar el desarrollo. Hay más de 11 módulos en el paquete MCAL para los controladores de señal digital (DSC) dsPIC33C y también incluye soporte para que los drivers criptográficos funcionen con el módulo HSM (Hardware Security Module) integrado, por ejemplo en los DSC seguros dsPIC33C512MPT608 o un TA100 externo. Por último, la familia dsPIC33CK1024MP710 está formada por dispositivos conformes a ISO26262 diseñados con seguridad funcional y destinados a aplicaciones ASIL B y la familia dsPIC33CK512MPT608 también dispone de un módulo de seguridad de hardware en el mismo encapsulado como un solo chip que utiliza nuestra plataforma de dispositivos Trust Anchor.
Resumen
Hemos revisado varios estándares utilizados en aplicaciones de iluminación interior, como ISELED e ILAS, y MeLiBu u Osire OSP de OSRAM, así como soluciones de conectividad como la red 10BASE-T1s Ethernet. Con tantas opciones a mano tiene sentido abordar los retos desarrollando soluciones basadas en una plataforma.
Gracias a la flexibilidad de nuestros microcontroladores y a los periféricos independientes del núcleo, ofrecemos numerosas posibilidades de implementación con nuestros microcontroladores.
