Dual-Die-Magnet-Motorpositionssensoren für ASIL-D-By-Wire-Anwendungen

Sicherheitskritische Automobil-Aktuatoren erfordern eine kontinuierliche, hochintegre Rotorpositionstelemetrie, um die Fahrzeugstabilität bei elektrischen, mechanischen oder magnetischen Störungen aufrechtzuerhalten. Die TDK Corporation hat den Micronas HAR 3025 entwickelt: einen störfeldrobusten Dual-Die-Magnetwinkelsensor, der redundante analoge Sinus- und Kosinus-Rückmeldungen für missionskritische elektrische Servolenkungen (EPS), Steer-by-Wire-, Brake-by-Wire- und Hochvolt-Traktionsmotorsysteme liefert.

Elektromagnetische Interferenzen in der modernen Fahrzeugelektrifizierung
Der Übergang zu Steer-by-Wire- und elektromechanischen Bremsarchitekturen eliminiert traditionelle mechanische Verbindungen zwischen Fahrer und Fahrwerk. In diesen fehlertoleranten Systemen darf das Motorsteuergerät bei Auftreten einer Anomalie nicht einfach abschalten; es muss unterbrechungsfrei weiterarbeiten. Gleichzeitig bringt die Elektrifizierung von Antriebssträngen Positionssensoren in unmittelbare räumliche Nähe zu Hochstrom-Sammelschienen, Wechselrichter-Schaltstufen und Traktionsmotoren. Diese Leistungselektronik erzeugt starke magnetische Gleich- und Wechselfeld-Störfelder, die herkömmliche magnetische Winkelmessungen verfälschen und die Kommutierungspräzision beeinträchtigen können.

Um die Positionsgenauigkeit beizubehalten, ohne Masse, Bauraum und Stücklistenkosten für externe magnetische Abschirmungen oder überdimensionierte Gebermagnete zu erhöhen, muss die Sensor-Hardware eine native Gleichtaktunterdrückung integrieren. Darüber hinaus schreibt das autonome Fahren ab Level 3 eine zweikanalige Hardware-Unabhängigkeit vor, um die strengsten funktionalen Sicherheitskriterien zu erfüllen, ohne die Gehäuseabmessungen zu vergrößern.

Stacked-Die-Sensorarchitektur und Funktionsprinzipien
Der Micronas HAR 3025 begegnet diesen Bauraum- und Zuverlässigkeitsanforderungen durch die Integration von zwei vollständig unabhängigen, vertikal gestapelten Dies in einem einzigen 4 × 4 Millimeter großen QFN24-Gehäuse mit benetzbaren Flanken (wettable flanks) für die automatische optische Inspektion (AOI). Da die gestapelten Dies zusammenfallende Zentren magnetischer Empfindlichkeit aufweisen, erfassen beide Kanäle den identischen Magnetfeldvektor eines einfachen zweipoligen Gebermagneten in End-of-Shaft-Anordnung. Diese physikalische Ausrichtung ermöglicht dem elektronischen Steuergerät Plausibilitätsprüfungen in Echtzeit ohne mathematische Offsets durch lateralen Die-Versatz.

Jedes einzelne Die verfügt über ein Array aus sechs horizontalen Hall-Platten kombiniert mit integrierter differentieller Signalverarbeitung. Gemäß den Anforderungen der ISO 11452-8:2015 misst die differentielle Topologie den Gradienten des Gebermagnetfelds bei gleichzeitiger Auslöschung homogener externer magnetischer Störfelder. Das Bauelement erfasst magnetische Flussdichten über einen weiten Bereich von ±5 Millitesla bis ±250 Millitesla.

Implementierung der funktionalen Sicherheit und Fehlerbehandlung
Als Safety Element out of Context (SEooC) gemäß ISO 26262:2018 entwickelt, erfüllen beide Dies innerhalb des Sensors unabhängig voneinander die ASIL-D-Sicherheitsmetriken. Die physikalische und elektrische Trennung stellt sicher, dass sich Fehlfunktionen eines Dies nicht auf das andere übertragen. Tritt bei einem Kanal ein Fehlerzustand auf, setzt der zweite Kanal den Betrieb mit voller Taktrate fort, um die fehlertolerante Systemfähigkeit zu wahren.

Integrierte Diagnoseblöcke überwachen kontinuierlich kritische Parameter wie die Stabilität des internen Takts, Versorgungsspannungspegel, Sperrschichttemperatur, Integrität der Hall-Signalverarbeitung, Konfigurationsregister und den nichtflüchtigen EEPROM-Speicher. Bei Erkennung einer internen Anomalie schaltet das betroffene Die seine analogen Ausgänge in einen hochohmigen Zustand, sodass externe Pull-up- oder Pull-down-Schaltungen an der Eingangsstufe des Mikrocontrollers den Fehler identifizieren und isolieren können.

Analoge Ausgangspräzision und Signalaufbereitung
Der Sensor liefert berührungslose 360-Grad-Winkelmessungen bei hohen Drehzahlen von bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute. Die Ausgänge sind als ratiometrische analoge Sinus- und Kosinussignale ausgeführt, die wahlweise differentiell oder massebezogen (single-ended) konfiguriert werden können. Die analoge Signalkette zeichnet sich durch einen geringen Laufzeit-Jitter mit RMS-Werten von maximal 2 Nanosekunden aus, was eine präzise Vektorregelung und die Unterdrückung von Drehmomentrippeln in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), permanenterregten Synchronmotoren (PMSM) und Drehstrom-Asynchronmaschinen unterstützt.

Bei einem Versorgungsspannungsbereich von 3,0 Volt bis 5,5 Volt arbeitet die Einheit bei Sperrschichttemperaturen zwischen minus 40 Grad Celsius und 170 Grad Celsius, mit Umgebungstemperaturspezifikationen von bis zu 150 Grad Celsius. Die statische Kalibrierung im End-of-Line-Test ergibt einen Gesamtwinkelfehler von 0,6 Grad oder weniger, der über dynamische mikrocontrollerbasierte Kompensationsalgorithmen weiter auf 0,1 Grad oder weniger optimiert werden kann.

Die Parameter der Signalkette – einschließlich Verstärkung, Offset, Nullwinkelreferenz, Orthogonalitätskorrektur und vier wählbarer Bandbreitenbegrenzungen im Bereich von 4,6 Kilohertz bis 70,5 Kilohertz – sind direkt über die Ausgangspins programmierbar. Dieses Eindraht-Kalibrierungsverfahren macht dedizierte Programmierpins überflüssig. Kommerzielle Entwicklungsmuster (Engineering Samples) des Sensors stehen derzeit für Tier-1-Automobilvalidierungen zur Verfügung; der Beginn der Serienfertigung ist für das erste Halbjahr 2027 geplant.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt beschreibt detaillierte technische Spezifikationen und Wettbewerbsanalysen, die in der ursprünglichen Produktankündigung nicht enthalten waren.

Der Markt für Kfz-Motorpositionssensoren umfasst mehrere primäre Sensortopologien, darunter Hall-Effekt-Arrays sowie anisotrope (AMR), Riesen- (GMR) und Tunnel-Magnetowiderstands-Architekturen (TMR). In Hochleistungs-X-by-Wire-Anwendungen sind Hall-Effekt-Array-Sensoren aufgrund ihrer hohen magnetischen Sättigungsgrenzen und der bewährten, auf räumlichen Feldgradienten basierenden Störfeldkompensation nach wie vor weit verbreitet. Im Gegensatz dazu können ungeschirmte magnetoresistive Bauelemente unter starken externen Feldern von mehr als 2 bis 5 Millitesla in die Sättigung geraten, sofern sie nicht über eine spezielle Abschirmung oder algorithmische Korrekturen verfügen.

In der Wettbewerbslandschaft der redundanten ASIL-D-Motorpositionssensoren konkurriert der Micronas HAR 3025 direkt mit Dual-Die-Lösungen wie den Serien Allegro MicroSystems A33020 und A33230, den Baureihen Melexis MLX90380 und MLX90423 sowie den Infineon XENSIV TLE5014 Dual-Die-Produkten. Während Lösungen wie der Allegro A33020 ebenfalls Störfeldfestigkeit mit digitalen und analogen Schnittstellen in SMD-Gehäusen kombinieren, variieren die Aufbaukonzepte zwischen nebeneinanderliegenden Dual-Die-Anordnungen (wie in TSSOP-16-Gehäusen) und vertikal gestapelten Dies (wie in kompakten 4 × 4-mm-QFN-Formaten).

Stacked-Die-Konfigurationen bieten einen inhärenten mechanischen Vorteil, indem sie den räumlichen Parallaxefehler zwischen den Kanälen eliminieren. Dadurch erfassen beide Sensorelemente identische Magnetfeldwinkel ohne firmwareseitige Phasenverschiebungskorrektur. Die Erfüllung der Testbedingungen gemäß ISO 11452-8:2015 Level 4 verlangt von den Bauelementen, magnetischen Gleich- und Wechselfeldern von bis zu 4.000 Ampere pro Meter (ca. 5 Millitesla) bei niedrigen Frequenzen standzuhalten, ohne die Winkelfehlertoleranzen zu überschreiten. Hohe Ausgangsbandbreiten über 50 Kilohertz in Verbindung mit Gruppenlaufzeiten im Submikrosekundenbereich sind zum industriellen Standard-Benchmark für die hochdynamische Traktionsmotorkommutierung in Elektrofahrzeugen geworden, um Drehmomentwelligkeit und Wechselrichter-Schaltverluste zu minimieren.

Bearbeitet von Natania Lyngdoh, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

www.micronas.tdk.com