Infineon MOTIX BTM9020/9021EP: Datenblatt-Analyse für Automotive – Robuster Motortreiber mit intelligenter Diagnose (HW vs. SPI)

Infineon MOTIX BTM9020/9021EP: Datenblatt-Analyse für Automotive – Robuster Motortreiber mit intelligenter Diagnose (HW vs. SPI)

Quelle:  Datenblatt für die integrierten Vollbrücken-ICs MOTIX™ BTM9020EP/BTM9021EP von Infineon, die speziell für Automobil-Gleichstrommotoren (BDC) entwickelt wurden

Episode Transcript

(00:00):
Hallo und Willkommen zu unserer heutigen Vertiefung.
Sie haben uns ja ein sehr spezifisches technisches
Dokument geschickt, genau das Datenblatt für diese Infineon
vollbrücken ICS motix, BTM, 9020EP und BTM 9021 EP unsere
Mission heute die wichtigsten Infos da rausziehen.

(00:22):
Perfekt, wenn sie schnell, aber doch fundiert wissen müssen, was
die können. Vielleicht für ein
Automotiveprojekt oder auch einfach so aus Interesse ja,
also packen wir es an. Genau das machen wir.
Wir schauen uns an, was diese Chips drauf haben, wofür sie
gedacht sind und das ist ja im Auto immer wichtig, wie sie sich
selbst schützen. Das Datenblatt ist ziemlich voll

(00:44):
gepackt, aber wir picken uns dasraus, was man wirklich braucht,
um Funktion und Einsatz zu verstehen.
OK, fangen wir mal bei den Grundlagen an.
Was ist das für ein Bauteil? Was sind so die Kernmerkmale, wo
findet man die typischerweise und dann tauchen wir tiefer ein
in diese Schutz und diagnosefunktionen, da steckt ja
anscheinend eine Menge drin. Oh ja, und am Ende klar der

(01:05):
Unterschied zwischen den beiden 9020 gegen 9021.
Fangen wir mal ganz vorne an. Also wir reden hier über einen
integrierten Schaltkreis, einen IC.
Und der enthält eine komplette Vollbrücke.
Vollbrücke heißt. Das heißt, der kann einen Motor,
also typischerweise so einen Gleichstrommotor mit Bürsten,
einen BDC Motor in beide Richtungen drehen lassen,

(01:27):
vorwärts, rückwärts. Und das alles auf einem Chip.
Monolithisch steht da, gebaut inBCD Technologie, und dann dieses
Gehäuse PGTSDSO 14 mit einem freiliegenden Pad.
Klingt sehr technisch. Ist es auch, aber clever.
Bcd, also bipolar cemos Demos, das ist so eine

(01:49):
Mischtechnologie, die erlaubt eshalt auf einem Chip Logik
analogschaltungen und die dickenLeistungsschalter, die den Strom
schalten, unterzubringen. Spart Platz.
Genau spart Platz und Kosten unddas Gehäuse dieses Tsds O 14 das
ist Oberflächen montierbar. Und dieses Pad unten dran, das

(02:10):
Metallpad, das ist für die Wärme.
Ah, wärmeableitung. Exakt beim Schalten von
Motorströmen wird's halt warm und die Wärme muss weg, sonst
geht der Chip kaputt. Die wird dann über das Pad an
die Leiterplatte. Abgegeben.
Ein Wert sticht ihm Datenblatt ins Auge.
Der pfadwiderstand RON, typisch 84 milliohm bei 25 Grad warum

(02:32):
ist der so wichtig? Ja, der RON.
Der ist Superwichtig für die Effizienz 84 Milliohm.
Das klingt nach fast nix, aber aber aber jeder Widerstand
bedeutet Verlustleistung, also Wärme, wenn Strom durchfließt.
Je kleiner der Ron, desto weniger Energie verpufft im Chip
selbst. OK, mehr kommt beim Motor an.

(02:54):
Richtig, und der Chip bleibt Kühler, lebt vielleicht länger.
Das ganze System wird effizienter, also niedrig ist
hier gut 84 Milli Ohm ist schon ziemlich guter Wert.
Das Datenblatt nennt ja auch krasse Pulsströmer 8,8 Ampere
für eine Sekunde, fast 7 Ampere für 10 Sekunden und das bei 85
Grad. Ja, das zeigt, der Chip kann

(03:15):
kurzzeitig richtig was ab. Das.
Brauchst du zum Beispiel, wenn der Motor anläuft.
Der Anlaufstrom kann ja viel höher sein, stimmt und dass das
bei 85 Grad spezifiziert ist, also bei echt hohen
Temperaturen, das zeigt halt, der ist fürs Auto gemacht, da
wird es ja schnell mal warm und es gibt ja sogar noch diesen
Wert für ganz kurze Pulse bis 14Ampere für Kaltstartbedingungen

(03:36):
also der ist echt robust ausgelegt.
Spannungspartei ist überhaupt interessant, 7 bis 18 Volt
normal, aber erweitert 4,5 bis 40 Volt.
Das ist ja viel mehr als nur 12 Volt.
Ja, das ist Absicht. Die 4,5 Volt untenrum, das ist
für den Kaltstart, wenn die Spannung im Bordnetz kurz
einbricht. Cold Crank nennt man das Ah ja,

(03:57):
und die 40 Volt nach oben, das ist die Reserve
gegenüberspannungen Stichwort Load dump.
Wenn die Batterie bei laufendem Generator abgeklemmt wird, das
muss der Chip aushalten. Also echt für alle Lebenslagen
im Auto gewappnet. Sozusagen, ja.
Der normale Bereich 718 Volt istdann für den Standardbetrieb.
Und dann gibt es ja noch so Features wie Stromlimitierung,

(04:17):
wählbare Slu, Raid, Halbbrückenmodus und diese AECQ
100 Qualifizierung. Das ist doch dieses
Autogütesiegel, oder? Genau AECQ 100 das ist der
Standard für Zuverlässigkeitstests im
Fahrzeugbereich. Ohne das geht dem Auto
eigentlich nichts. Seriöses OK und die Slu Raid,
also die Anstiegsgeschwindigkeit.

(04:38):
Da kann der Entwickler wählen, schneller schalten, heißt
weniger Verluste, aber mehr Störungen, EMV Probleme.
Ah, elektromagnetische Verträglichkeit.
Richtig langsamer schalten ist EMV freundlicher, aber
ineffizienter. Da muss man halt den Kompromiss
finden und die Stromlimitierung ist schon die erste
Schutzfunktion, da kommen wir jagleich noch drauf.
Bevor wir das tun, wo sitzen diese Chips denn nun genau im

(05:01):
Auto? BDC Motoren, sagten Sie.
Ja, also klassisch in Komfortanwendungen, Denk an
elektrische Fensterheber. Einer Zentralverriegelung in den
Türmodulen OK oder die Spiegelverstellung
Heckklappenantriebe Schiebedächer können das auch
sein und oft auch in diesem BodyControl Modules den BCMS, die
Steuern ja viele kleine Motoren.Also überall wo was auf und

(05:23):
zugeht oder sich verstellt. Ziemlich genau überall, wo du so
einen Gleichstrommotor in der Leistungsklasse zuverlässig hin
und her steuern musst. Gut, jetzt aber zu dem, was die
Dinge anscheinend besonders macht.
Schutz und Diagnose die Liste imDatenblatt ist ja lang.
Überstrom, unterspannung, übertemperatur, Leerlauf,

(05:43):
strommessung. Ja, das ist das A und o im Auto.
Die Dinger müssen ja nicht nur funktionieren, sondern auch
sicher sein und im Fehlerfall sinnvoll reagieren.
Nehmen wir mal den Überstromschutz.
Was passiert da? Motor blockiert Kurzschluss.
Der Chip merkt das, der misst den Strom durch die Schalter.
Wenn der über einen bestimmten Wert geht, Isdx heißt der im

(06:06):
Datenblatt, dann ist das ein Fehler.
Nach einer kurzen Filterzeit, damit nicht jede kleine Störung
gleich Alarm auslöst, passieren 2 Dinge.
Erstens, der Strom wird aktiv begrenzt auf Ilim XX, das
schützt den Chip und die Kabel, zweitens der betroffene Schalter
wird abgeschaltet und bleibt ausGelatcht sagt man.

(06:29):
Gelatcht wie eine Sicherung, dierausfliegt und drin bleibt.
Genau, gute Analogie. Der bleibt aus bis das
Steuergerät sagt Okay Fehler behoben, versuch's noch mal.
Das passiert dann über die Steuersignale oder per Spi.
Und wie erfährt das Steuergerät vom Latch?
Über den is pin. Da fließt dann ein spezieller
Fehlerstrom ISF FAULT oder bei der SPI Version gibt's ein

(06:53):
eigenes Bit im Statusregister das sagt Überstrom aufgetreten.
Klingt sicher, und? Und Überhitzung.
Die werden ja sicher warm. Ja klar, dafür sind
Temperatursensoren direkt auf dem Chip wird's zu heiß, über
TJSD, schaltet die betroffene Halbbrücke ab.
Auch Gelatcht. Nee, das ist der Unterschied.
Der Zustand ist nicht gelatscht,wenn die Temperatur wieder unter

(07:15):
einen unteren Wert fällt, JSO, dann schaltet der Chip
automatisch wieder ein, da ist eine Hysterese drin, damit er
nicht ständig hin und her schaltet.
Ah OK. Und gemeldet wird es auch.
Ja klar, wieder über den ISP PINoder ein Bit im SPI Status.
Und Unterspannung, wenn die Batterie beim Starten in die
Knie geht. Wenn die Spannung VS unter VUV

(07:35):
Off fällt, gehen die Ausgänge auch sicher aus, um undefinierte
Zustände zu vermeiden. Der Chip selbst.
Bleibt aber teilweise wach. Und wenn die Spannung wieder da.
Ist dann geht's automatisch weiter, sobald die Spannung
wieder über Vuv on steigt. Ist auch nicht gelatscht und die
SPI Version meldet das natürlichauch per Bit.
Dann gibt's noch diese Leerlauferkennung Open Load.
Was kann die? Kabelbruch erkennen genau das,

(07:58):
wenn der Motor aktiv angesteuertwird, aber kein Strom fließt
oder nur ganz wenig, dann merkt der Chip, Hoppla, da ist die
Verbindung wohl weg, kabelbruch Stecker ab so was.
Clever. Und das Beste?
Das geht ohne externe Widerstände, ist im Chip drin,
wird auch gemeldet, IS PIN oder OL bit im SPI.
Super nützlich für die Werkstattdiagnose.

(08:19):
Und Querstromschutz Cross current Protection.
Ganz wichtig, das ist eine interne Logik.
Die sorgt dafür, dass nie, wirklich nie der obere und der
untere Schalter von derselben Halbbrücke gleichzeitig an sind.
Weil das einen Kurzschluss gäbe.Genau von Versorgung nach Masse
direkt durch den Chip nennt man Shoot through.
Das wäre extrem ineffizient und würde den Chip grillen.

(08:42):
Da gibt es eine kleine eingebaute Verzögerung Tikros,
die stellt sicher erst da einer aus, dann der andere an.
Grundlegend, aber lebenswichtig.Absolut.
Bleibt noch die Strommessung Current Sense, das ist ja eher
Info als Schutz, oder? Stimmt, der Chip gibt am IS pin
einen kleinen Strom aus, der proportional zum echten

(09:02):
Laststrom ist. Man kann auswählen, welchen
Schalter man messen will, per SL, pin oder SPI.
Und was macht man damit? Der Mikrocontroller kann diesen
Strom messen, meist über einen Widerstand in Spannung wandeln.
Damit weiß das Steuergerät, wie schwer der Motor gerade
arbeitet. Man kann nen blockierten
Fensterheber erkennen, StichwortStall Detection oder man kann

(09:24):
den Strom sogar für Regelungsaufgaben nutzen.
Wow, echt ne Menge drin jetzt zuden beiden Varianten btm 9020 EP
der Hw und btm 9021 EP der sp I was heißt das?
Hw heißt Hardware gesteuert. Der 9020 EP hat Pins wie
INAINBPWMSL, da legst du direkt logikpegel an, um Richtung

(09:49):
Geschwindigkeit per PWM und die Strommessung zu steuern.
Klassisch sozusagen. Genau und Fehler die werden
hauptsächlich über diesen speziellen Strom am IS PIN
gemeldet. Die slu Rate einstellen ist hier
ein bisschen na ja, trickreich über eine Signalsequenz.
Und der 9022 EP die digitale Variante.

(10:10):
Richtig, der hat eine SPI Schnittstelle Serial Parifual
Interface, da schickst du alle Befehle Richtung PWM Wert slu
rate messauswahl als digitale Daten über die Spi Leitungen
sdis CLK CS. Und die Fehlermeldungen?
Die kommen auch digital zurück. Über den Sdo PIN und zwar viel

(10:32):
detaillierter statt nur fehlerstrom.
Am is kriegst du hier einzelne Bits.
Über Strombrücke a überstrom, b über temperatur, a über
Temperatur, B Unterspannung, Open load, alles separat.
Ah OK, das heißt mit der SPE Version weiß ich genau was los
ist. Nicht nur das was los ist.
Exakt das ist der große Vorteil.Viel feinere Diagnose.

(10:55):
Wann nimmt man denn was? Na ja, die HW Version ist
vielleicht einfacher, wenn du nur einen oder 2 Treiber hast
und nicht so viele Details brauchst.
Die SPE Version ist top. Wenn du viele Treiber hast,
Stichwort Bussystem oder wenn dueben diese detaillierte Diagnose
nutzen willst für Fehlersuche oder vielleicht sogar für
erweiterte Funktionen. Gibt es bei SPI noch

(11:17):
Besonderheiten? Im Datenblatt steht was von
Desichain ja. Genau, du kannst mehrere 9021 EP
hintereinander schalten. Der SDO vom Ersten geht an den
SDI vom zweiten und so weiter. Dann steuerst du alle über
dieselben SBI Leitungen vom Mikrocontroller.
Spart Pins am Controller. Richtig, sehr praktisch, wenn's
eng wird. Und dann gibt's noch das Global

(11:38):
Error Flag GEF. Das ist ein schnelles Signal am
STO, das dir sofort sagt, ob irgendein Fehler im Chip
anliegt, noch bevor du das ganzeStatus Byte ausgelesen hast.
Eine Art Frühwarnung. So kann man's nennen, ja.
Und n Watchdog hat die SPI Version auch noch.
Ja, als Sicherheitsnetz, wenn der aktiv ist und vom

(11:58):
Mikrocontroller kommt über eine bestimmte Zeit kein gültiges SPI
Signal mehr. Controller abgestürzt,
Kommunikation gestört, dann kannder Chip die Motoren
sicherheitshalber abschalten. OK, fassen wir mal zusammen.
Wir haben hier also einen hochintegrierten Baustein echt
für die rauen Bedingungen im Auto gemacht.

(12:19):
Der kann nicht nur Motoren steuern, sondern ist quasi eine
kleine Festung mit all den Schutzfunktionen gegen
Überspannung, Kurzschluss, Hitze.
Genau das ist der robust und zuverlässig und mit den 2
Varianten hat man die Wahl. Einfache HW Steuerung mit
Basisfeedback oder die SPI Version für viel mehr Details,
Diagnose und Kontrolle über einen Bus.

(12:39):
Also wenn sie Systeme entwickeln, die solche Motoren
im Auto brauchen, Fensterheber, Spiegel, was auch immer oder
wenn sie Fehler suchen. Das Verständnis dieser Schutz
und Diagnose Features ist echt Gold.
Wert absolut. Das beeinflusst ja alles
bauteilauswahl, Schaltungsdesign, Software,
Fehlersuche. Die Schutzfunktionen sichern die

(13:00):
Hardware, die Diagnose gibt dem System quasi Augen und Ohren.
Richtig, man kann nicht nur reagieren, wenn s knallt,
sondern vielleicht sogar verstehen warum oder ob sich ein
Problem anbahnt. Und das bringt uns zu einem
letzten Gedanken für sie. Zum Mitnehmen.
Was könnte man mit diesen ganzenInfos gerade von der SPI
Variante denn noch anstellen? Ja, gute Frage.

(13:21):
Das Datenblatt beschreibt ja dieStrommessung, die Fehlerflex
könnte man die nicht nutzen um mehr zu tun als nur Fehler
abzufangen. Wie meinen Sie das?
Na ja, stell dir vor, du misst den Strom vom Fensterhebermotor
über längere Zeit könnte man da nicht vielleicht Verschleiß
erkennen, bevor er ganz kaputt geht?
Predictive maintenance. Vorausschauende Wartung.

(13:42):
Spannender Gedanke. Oder erlauben die genauen
Messwerte vielleicht adaptive Regelungen, dass der Chip den
Motor je nach Last oder Alter immer optimal ansteuert?
Viel feiner als es mit der HW Variante ginge, gerade wenn wir
über Software Defined vehicles reden.
Hm, wo Software immer mehr Funktionen übernimmt.
Genau. Da eröffnen solche intelligenten

(14:05):
Aktuatoren mit detaillierter Rückmeldung sicher ganz neue
Möglichkeiten für die Ingenieure.
Was ließe sich damit noch alles anstellen?
Eine echt faszinierende Frage zum Weiterdenken, wie aus dem
Motortreiber vielleicht ein kleiner Sensor für den Zustand
des Systems wird. Damit schließen wir unsere
heutige Vertiefung zum BTM, 9020EP und BTM 9021 EP ab.

(14:29):
Vielen Dank, dass sie uns diesesDatenblatt dafür zur Verfügung
gestellt haben.