Fault Tolerant Design Techniques for Smart Power Drivers and Diagnostic Circuits

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-07-10
Issue Year
2017
Authors
Easwaran, Sri Navaneethakrishnan
Editor
Abstract

The demand for electronic control is increasing and is replacing most of the hydraulics in the automotive. Automobiles produced today have a longer life expectancy than at any time in the past. One of the strongest contributors for this is the increase in electronic equipment and systems that have replaced mechanical devices. Without proper electrical protection, however, these electronic systems in automobiles can fail without warning there by creating risk for the driver and passengers including injuries and life threat. Power semiconductor devices that are used in these electronic systems handle high currents in the order of 2A at 40V. Due to this high voltage and high current several design measures have to be considered in the design to make these circuits fault tolerant. The unintentional or inadvertent activation of the powerFETs should be avoided else it would trigger very high currents. In the light of this, the purpose of the present doctoral dissertation is set to contribute to the design of Smart Power Drivers for airbag squib driver applications. This thesis focusses on the current regulation circuits in airbag squib drivers with fault tolerant topologies and inadvertent current control. Inadvertent current flows can damage safety ASICs or even alter safety functionality like airbag misfire. The designs have to be developed to withstand faults like missing power supply in a Multiple Supply Domain ASIC that can lead to high currents due to floating nodes. It should be guaranteed not to misfire the airbags when some supplies are missing. The other faults that can lead to the airbag misfire are the short to battery, short to ground conditions that happen during the powered state of the ASIC or in the unpowered state of the ASIC. The technical state of the art is extended and improved by the following principle results achieved by the present research:

  1. The current sensing scheme to achieve the desired current limitation in the High Side configuration with a metal sense resistor is presented. In addition to the current regulation, the novel surge current control circuit to limit the current through the powerFET is needed in order to limit the duration of the peak current through the load. The importance of this is explained and verified. The duration is 5A for 4µs.
  2. The current sensing scheme to achieve the desired current limitation in the Low Side configuration with a senseFET based topology is presented. The novel surge current control circuit is to make the circuit fault tolerant when Short Circuit to Battery (SCB) condition occurs. The duration is 5A for 4µs.
  3. The exploitation of Current Selector circuits in order to ensure well defined bias conditions for the powerFETs and circuits operating with Multiple Supply Voltages (MSV) are discussed.
  4. The diagnostic section is discussed where there are two specific targets. Diagnostic circuits consist of a voltage reference circuit and an output buffer. The minimum current selector circuit is exploited in this design in order to design a precise Current Limited Voltage Source (CLVS). The common mode input of the output buffer can range from 0 to 40V but the output level of this buffer is limited to 5.5V by an improved clamping technique.

A four channel squib driver prototype has been manufactured on a 350nm, 40V BiCMOS process. Extensive measurements have been performed for the current sensing circuits on both high side and low side configuration. The high side current sensing scheme regulates to 2A with ±3% accuracy. The low side configuration regulates to 3A with ±10% accuracy. The peak current limitation in the unpowered state is 1A for 400ns and 3A for 1.5µs for the high side and low side configurations respectively. The high side and low side drivers have stable current regulation for inductive loads up to 3mH. High side driver provides an internal freewheeling path during turn OFF conditions. The biasing scheme introduced with voltage and current selectors did not show any unintended activation or deactivation of the circuits under any power up condition. Current Limited Voltage Source for diagnostics implemented in both high side and low side configuration regulates to 8.4V with ±0.5V accuracy. Output buffer regulates to 5.4V with ±200mV accuracy under any power up phase of operation.

Abstract

Die Nachfrage nach elektronischer Steuerung in Automobilen nimmt zu und große Teile der hydraulischen Steuerung werden durch elektronische Steuerungen ersetzt werden. Automobile, die heute produziert werden, haben eine längere Lebenserwartung als zu irgendeinem Zeitpunkt in der Vergangenheit. Einer der stärksten Beiträge hierzu ist durch die Zunahme der elektronischen Geräte und Systeme, die mechanische Vorrichtungen ersetzen, gegeben. Ohne den richtigen elektrischen Schutz können diese elektronischen Systeme in Kraftfahrzeugen kaputt gehen, ohne dass es zu einer Warnung kommt – so dass der Fahrer und die Passagiere einem großes Risiko auf Verletzungen und Lebensbedrohung ausgesetzt sind. Leistungshalbleiterbauteile verarbeiten hohe Ströme in der Größenordnung von 2A bei 40V. Aufgrund solcher hohen Spannungen und eines hohen Stromes sind mehrere konstruktive Maßnahmen zu treffen, um diese Schaltungen fehlertolerant zu machen. Die unbeabsichtigte Aktivierung der PowerFETs sollte vermieden werden, da sie sehr hohe Ströme auslösen kann. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Design von Smart-Power-Treibern für Airbag-Vorzündtreiber-Anwendungen. Dabei konzentriert sich die Arbeit auf die Regelkreise in Airbag Squib- Treibern insbesondere mit fehlertoleranten Topologien und geeigneter Stromregelung. Jeder unbeabsichtigt fließende Strom kann Sicherheits-ASICs beschädigen oder sogar die Sicherheitsfunktionalität verändern (wie z.B. eine Airbag-Fehlzündung auslösen). Die Designs müssen so aufgesetzt werden, dass sie Störungen widerstehen wie zum Beispiel dem Verlust der Stromversorgung in einem ASIC mit mehreren Versorgungsebenen, was zu hohen Strömen aufgrund von Floating Nodes führen kann. Es sollte nicht zu Fehlzündungen des Airbags kommen, wenn Stromversorgungen fehlen. Andere Fehler, die zu Fehlzündungen des Airbags führen können sind Kurzschlüsse zur Batterie, Kurzschlüsse zur Masse - sowohl bei aktivem ASIC als auch bei ausgeschaltetem ASIC. Der Stand der Technik wird durch die folgenden wesentlichen Ergebnisse der vorliegenden Dissertation erweitert und verbessert:

  1. Es wird eine Strommesstechnik mit Hilfe eines Metal Sense-Widerstandes für die gewünschte Strombegrenzung in der High Side-Konfiguration vorgestellt. Neben der Stromregelung wird eine neuartige Spitzenstromsteuerschaltung zur Begrenzung des Stromes durch die PowerFETs vorgestellt, die die Zeitdauer des Spitzenstromes durch die Last begrenzt. Die Bedeutung der Schaltung wird erläutert und verifiziert. Während 4μs fließen 5A.
  2. Das Stromsensorsystem mit Strombegrenzung in der Low Side-Konfiguration mit einer SenseFET-basierten Topologie wird vorgestellt. Die neuartige Spitzenstromsteuerschaltung ist so entwickelt, dass sie fehlertolerant ist, wenn SCB-Bedingungen auftreten. Wiederum fließen 5A 4μs lang.
  3. Die Nutzung der Stromauswahlschaltung zur Sicherstellung gut definierter Bias-Bedingungen für die PowerFETs und deren Beschaltung wird aufgezeigt, insbesondere wenn das System mit mehreren Versorgungsspannungen (MSV) arbeitet.
  4. Es wird die Diagnostik diskutiert, insbesondere wenn zwei spezielle Ziele erreicht werden sollen. Diagnoseschaltkreise bestehen aus einer Spannungsreferenzschaltung und einem Ausgangspuffer. Es wird eine Stromauswahlschaltung mit minimalem Strom beschrieben, mit der sich eine strombegrenzte Spannungsquelle realisieren lässt. Der Gleichtakteingang des Ausgabepuffers erstreckt sich von 0V bis 40V, der Ausgangspegel dieses Puffers ist jedoch durch eine verbesserte Spannungstechnik auf 5.5V begrenzt. Es wurde ein Vier-Kanal-Zünder-Treiber-Prototyp in einem 350nm, 40V BiCMOS-Prozess hergestellt. Umfangreiche Messungen wurden für die Stromerfassungsschaltungen sowohl für die High Side- als auch für die Low-Side-Konfiguration durchgeführt. Das High Side-Stromschema regelt auf 2A mit einer Genauigkeit von ±3%. Die Low-Side-Konfiguration regelt auf 3A mit einer Genauigkeit von ±10%. Die Spitzenstrombegrenzung im unversorgten Zustand beträgt 1A für 400ns und 3A für 1.5μs für die High Side bzw. für die Low Side-Konfigurationen. Die High Side- und die Low Side-Treiber verfügen über eine stabile Stromregelung für induktive Lasten von bis zu 3 mH. Der High Side-Treiber stellt einen internen Freilaufpfad während der Abschaltphase bereit. Die vorgestellte Versorgungstechnik mit Spannungs- und Stromselektoren zeigte keine ungewollte Aktivierung oder Deaktivierung der Schaltungen unter irgendeinem Einschaltzustand. Die strombegrenzte Spannungsquelle, die sowohl in der High Side- als auch in der Low Side-Variante implementiert ist, regelt auf 8.4V mit einer Genauigkeit von ±0.5V. Der Ausgangspuffer reguliert auf 5.4V mit ±200mV-Genauigkeit in jeder Einschaltphase des Betriebs.
DOI
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