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L'attuale settore dei circuiti integrati per applicazioni automotive consta di un'ampia gamma di sistemi, siano essi prodotti standard oppure ASIC, votati al pilotaggio dei carichi induttivi. Gran parte di questi possono però lavorare solo in determinate modalità operative, sfruttando architetture e parametri fissi. Quando la richiesta di flessibilità aumenta, lo stato dell'arte offre solo soluzioni complesse basate su MCU integrate e controlli firmware-oriented.

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di progettare il lato digitale di un dispositivo mixed-signal finalizzato al pilotaggio di carichi induttivi in ambito automotive, che possa colmare le mancanze degli ASIC commerciali introducendo un elevato livello di flessibilità. La tecnologia di riferimento per la realizzazione di tale progetto è la h35_CORELIBD_DCV_HV a 35 um di ams AG.

Il lavoro si articola in tre fasi principali. Nella prima, si devono individuare gli elementi induttivi all'interno di un veicolo automobilistico, studiandone le caratteristiche e le strategie applicabili per il controllo. I principali carichi induttivi individuati sono relè, valvole a solenoide e motori DC. In questa fase si fa anche uno studio dell'offerta commerciale dello stato dell'arte, individuando le maggiori aziende coinvolte nel settore e i loro prodotti più caratteristici. In base a quanto visto in questa fase si possono delineare i requisiti di un'unità di pilotaggio, definendone sia le caratteristiche fisiche e topologiche che funzionali. Quello che si vede nei prodotti commerciali è la mancanza di un dispositivo smart che offra anche una elevata flessibilità applicativa. Si trova infatti un trade-off tra intelligenza e flessibilità in tutti i prodotti principali. Si trovano quindi dispositivi, come quelli di ON Semiconductor, che offrono un elevato numero di canali di pilotaggio e un elevato livello di configurabilità di questi, permettendo l'utilizzo dei driver in diverse configurazioni topologiche e applicative, ma che sono legate esclusivamente al controllo di una MCU. Si trovano poi dispositivi, tra cui alcuni prodotti di Texas Instruments e STMicroelectronics, che offrono un ridotto numero di canali ma un'elevata autonomia rispetto alle MCU da cui sono gestite.

La seconda fase rappresenta la progettazione vera e propria. Questa rappresenta la fase di front-end del progetto digitale, coprendo gli step di progettazione funzionale (Behavoural e RTL) senza arrivare al backend.

Il primo passo è quello di decidere la struttura generale del dispositivo. Basandoci sulle caratteristiche dei driver commerciali e sui requisiti dei carichi considerati, si sceglie di realizzare un sistema a 4 canali, con due MOSFET esterni per ciascun canale, ciascuno controllato da un pre-driver (o gate driver) interno. I 4 canali sono ritenuti sufficienti per tutte le applicazioni di pilotaggio considerate, dai relè agli iniettori e ai motori DC, andando a coprire fino ai sistemi di pilotaggio dei motori stepper.

Segue la determinazione delle funzionalità del sistema. Questo viene configurato da una MCU in maniera da poter operare in una tra quattro modalità differenti: Injection_1, rivolta ai solenoidi e iniettori a bassa impedenza; Injection_2, rivolta a relè e iniettori ad alta impedenza; Single Side, volta a permettere il controllo diretto da parte della MCU sulla corrente in uscita; DC_Motor, rivolta ai motori DC pilotati tramite ponte H. Per poter permettere la configurazione dall'esterno serve un banco di registri interni e un'interfaccia di comunicazione che permetta alla MCU di potervi scrivere e leggere. La scelta dell'interfaccia ricade sulla SPI, a cui viene affiancata un'interfaccia parallela, rappresentata dai segnali di controllo principali (ENABLE), gestiti direttamente dell'esterno e non legati ai registri interni. Poiché il compito del dispositivo di driving è quello di produrre e controllare una corrente per il carico, vengono individuate e implementate due modalità di regolazione di essa: una ad anello chiuso, basato sul sensing della corrente stessa, e una ad anello aperto, basato su una modulazione PWM a frequenza e duty-cycle programmabili. I valori dei registri influiscono sulla tipologia di regolazione, sui livelli di corrente e sulle modalità di funzionamento dell'intero sistema. Viene infine inserita una sezione di diagnostica, la quale monitora le correnti di uscita e le tensioni sui transistori esterni per individuare le condizioni di funzionamento e interrompere l'attività del dispositivo qualora non venissero più rispettate le condizioni prefissate.

L'intera architettura interna, realizzata in linguaggio VHDL, viene descritta nel capitolo 4, verificare fino all ultimo che non sia cambiatoin cui viene fatta anche un'analisi delle prestazioni. Qui si valutano i tempi di risposta del sistema e l'impatto che tali tempi hanno sulla effettiva regolazione della corrente, ponendo attenzione alla misura in cui il valore reale si discosti da quello ideale e alle limitazioni sul carico introdotte dalla catena di reazione.

La terza fase è quella di test e verifica del sistema. Per poter ottenere delle risposte accettabili dalle simulazioni effettuate, si è realizzato un testbench mixed-signal, facendo uso del linguaggio VHDL-AMS, il quale ha permesso di realizzare modelli analogici che potessero essere affiancati al lato digitale in maniera avere delle risposte che fossero il più realistico possibile dalle verifiche. In questo ambiente sono state testati tutti i blocchi e tutte le funzionalità del dispositivo realizzato, verificando che tutti i requisiti fossero soddisfatti.

In conclusione si è progettato e verificato il lato digitale di un dispositivo rivolto al pilotaggio della maggior parte dei carichi induttivi che si possono trovare all'interno di un'automobile. Tale dispositivo si allinea alle prestazioni dello stato dell'arte offrendo però sia un'elevata flessibilità che un'elevata autonomia, rientrando nel settore degli smart driver.