Capteurs magnétiques de position moteur à double puce pour applications by-wire ASIL D

Les actionneurs automobiles critiques pour la sécurité exigent une télémétrie continue et de haute intégrité de la position du rotor afin de maintenir la stabilité du véhicule lors de perturbations électriques, mécaniques ou magnétiques. TDK Corporation a développé le Micronas HAR 3025, un capteur d'angle magnétique à double puce (dual-die) immunisé contre les champs parasites, conçu pour fournir un retour analogique redondant sinus et cosinus destiné aux systèmes de direction assistée électrique, steer-by-wire, brake-by-wire et moteurs de traction haute tension.

Interférences électromagnétiques dans l'électrification automobile moderne
La transition vers les architectures de direction steer-by-wire et de freinage électromécanique élimine les liaisons mécaniques traditionnelles entre le conducteur et le châssis. Dans ces systèmes à tolérance de panne, l'unité de commande du moteur ne peut pas simplement s'arrêter en cas d'anomalie ; elle doit continuer à fonctionner sans interruption. Parallèlement, l'électrification des groupes motopropulseurs place les capteurs de position à proximité physique immédiate de barres omnibus (busbars) à fort courant, d'étages de commutation d'onduleurs et de moteurs de traction. Cette électronique de puissance génère d'importants champs magnétiques parasites continus (DC) et alternatifs (AC) susceptibles de fausser les mesures d'angle magnétiques conventionnelles et de dégrader la précision de commutation.

Pour maintenir la fidélité de positionnement sans augmenter la masse, l'encombrement ni le coût de la nomenclature avec un blindage magnétique externe ou des aimants cibles surdimensionnés, le matériel du capteur doit intégrer une réjection de mode commun native. De plus, la conduite autonome de niveau 3 et supérieur impose une indépendance matérielle à double canal pour satisfaire aux critères de sécurité fonctionnelle les plus stricts sans élargir les dimensions du boîtier.

Architecture de capteur à puces empilées et principes de détection
Le Micronas HAR 3025 répond à ces contraintes d'encombrement et de fiabilité en intégrant deux puces entièrement indépendantes, empilées verticalement au sein d'un unique boîtier QFN24 de 4 × 4 millimètres équipé de flancs mouillables (wettable flanks) pour l'inspection optique automatisée. Comme les puces empilées partagent des centres de sensibilité magnétique coïncidants, les deux canaux interceptent le même vecteur de champ magnétique émis par un simple aimant cible bipolaire monté en bout d'arbre (end-of-shaft). Cet alignement physique permet à l'unité de contrôle électronique d'effectuer des contrôles de plausibilité en temps réel sans décalages mathématiques induits par un déplacement latéral des puces.

Chaque puce individuelle intègre un réseau de six plaques Hall horizontales combiné à un traitement différentiel du signal. Conformément aux exigences de la norme ISO 11452-8:2015, la topologie différentielle mesure le gradient du champ de l'aimant cible tout en annulant les champs magnétiques parasites externes homogènes. Le composant évalue les densités de flux magnétique sur une large plage allant de ±5 milliteslas à ±250 milliteslas.

Mise en œuvre de la sécurité fonctionnelle et gestion des défaillances
Développées en tant qu'élément de sécurité hors contexte (SEooC) conformément à l'ISO 26262:2018, les deux puces du capteur satisfont indépendamment aux métriques de sécurité ASIL D. La séparation physique et électrique garantit qu'un dysfonctionnement sur une puce ne se propage pas à l'autre. Si un canal rencontre un état de défaillance, le second canal poursuit son fonctionnement à pleine vitesse afin de préserver la capacité de tolérance de panne au niveau du système.

Des blocs de diagnostic intégrés supervisent en continu les paramètres critiques, notamment la stabilité de l'horloge interne, les niveaux de tension d'alimentation, la température de jonction, l'intégrité du traitement du signal Hall, les registres de configuration et la mémoire non volatile EEPROM. Dès la détection d'une anomalie interne, la puce concernée fait passer ses sorties analogiques à l'état de haute impédance, permettant aux circuits externes de pull-up ou pull-down à l'étage d'entrée du microcontrôleur d'identifier et d'isoler l'erreur.

Précision des sorties analogiques et conditionnement du signal
Le capteur fournit des mesures angulaires sans contact sur 360 degrés à des vitesses de rotation atteignant jusqu'à 60 000 tours par minute. Les sorties sont configurées en signaux analogiques ratiométriques sinus et cosinus, disponibles en configurations différentielles ou asymétriques (single-ended). La chaîne de signal analogique maintient une gigue de temps de propagation très faible, avec des valeurs RMS plafonnées à 2 nanosecondes, favorisant un contrôle vectoriel précis et la suppression de l'ondulation de couple dans les moteurs à courant continu sans balais (BLDC), les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) et les machines asynchrones AC.

Fonctionnant sur une plage de tension d'alimentation de 3,0 volts à 5,5 volts, l'unité opère à des températures de jonction comprises entre -40 degrés Celsius et 170 degrés Celsius, avec des spécifications de température ambiante atteignant 150 degrés Celsius. Le calibrage statique en fin de ligne de fabrication garantit une erreur angulaire totale inférieure ou égale à 0,6 degré, qui peut être optimisée jusqu'à 0,1 degré ou moins par des algorithmes de compensation dynamique au niveau du microcontrôleur.

Les paramètres de la chaîne de signal — incluant le gain, l'offset, la référence d'angle zéro, la correction d'orthogonalité et quatre limites de bande passante sélectionnables de 4,6 kilohertz à 70,5 kilohertz — sont programmables directement via les broches de sortie. Cette méthodologie d'étalonnage à un fil supprime le besoin de broches de programmation dédiées. Des échantillons d'ingénierie commerciaux sont actuellement disponibles pour validation auprès des équipementiers de rang 1, la production en série étant prévue pour le premier semestre 2027.

Contexte additionnel :
Cette section détaille des spécifications techniques et des analyses comparatives non incluses dans l'annonce produit d'origine.

Le marché des capteurs de position moteur automobile repose sur plusieurs topologies de détection principales, notamment les réseaux à effet Hall, ainsi que les architectures magnétorésistives anisotropes (AMR), géantes (GMR) et à effet tunnel (TMR). Dans les applications x-by-wire haute puissance, les capteurs à réseau d'effet Hall restent prédominants en raison de leurs seuils élevés de saturation magnétique et de leur compensation éprouvée des champs parasites basée sur les gradients spatiaux de champ. À l'inverse, les dispositifs magnétorésistifs non blindés risquent de saturer sous des champs externes intenses dépassant 2 à 5 milliteslas, à moins d'intégrer un blindage dédié ou une correction algorithmique.

Au sein du paysage concurrentiel des capteurs de position moteur redondants ASIL D, le Micronas HAR 3025 concurrence directement des solutions à double puce telles que les séries Allegro MicroSystems A33020 et A33230, la gamme Melexis MLX90380 et MLX90423, ainsi que les produits double puce Infineon XENSIV TLE5014. Si des composants comme l'Allegro A33020 intègrent également l'immunité aux champs parasites avec des interfaces numériques et analogiques en boîtier CMS, les approches de packaging varient entre les dispositions côte à côte (comme les boîtiers TSSOP-16) et les puces empilées verticalement (comme les formats compacts QFN 4 × 4 millimètres).

Les configurations à puces empilées procurent un avantage mécanique déterminant en éliminant l'erreur de parallaxe spatiale entre les canaux, garantissant que les deux éléments sensibles mesurent des angles de champ magnétique identiques sans correction de déphasage dans le micrologiciel. La conformité aux conditions de test de niveau 4 de la norme ISO 11452-8:2015 exige des composants qu'ils supportent des champs magnétiques continus et alternatifs allant jusqu'à 4 000 ampères par mètre (environ 5 milliteslas) aux basses fréquences sans dépasser les limites d'erreur angulaire. Une bande passante de sortie élevée supérieure à 50 kilohertz, combinée à des temps de propagation de groupe inférieurs à la microseconde, représente désormais la norme de référence industrielle pour la commutation rapide des moteurs de traction de véhicules électriques afin de minimiser l'ondulation de couple et les pertes de commutation des onduleurs.

Édité par Natania Lyngdoh, rédactrice d’Induportals, avec l’assistance de l’IA.

www.micronas.tdk.com