Sensores magnéticos de posición de motor de doble pastilla para aplicaciones By-Wire ASIL D

Los actuadores automotrices críticos para la seguridad requieren telemetría continua y de alta integridad de la posición del rotor para mantener la estabilidad del vehículo durante perturbaciones eléctricas, mecánicas o magnéticas. TDK Corporation ha desarrollado el Micronas HAR 3025, un sensor de ángulo magnético de doble pastilla (dual-die) y robusto frente a campos dispersos, diseñado para proporcionar retroalimentación analógica redundante de seno y coseno en sistemas de dirección asistida eléctrica, steer-by-wire, brake-by-wire y motores de tracción de alta tensión de misión crítica.

Interferencia electromagnética en la electrificación de vehículos modernos
La transición hacia arquitecturas de dirección steer-by-wire y frenado electromecánico elimina los enlaces mecánicos tradicionales entre el conductor y el chasis. En estos sistemas operativos ante fallos, la unidad de control del motor no puede simplemente apagarse cuando se produce una anomalía; debe continuar funcionando sin interrupción. Al mismo tiempo, la electrificación del tren motriz coloca a los sensores de posición en proximidad física directa con barras conductoras (busbars) de alta corriente, etapas de conmutación de inversores y motores de tracción. Esta electrónica de potencia genera intensos campos magnéticos dispersos de CC y CA que pueden distorsionar las lecturas de ángulo magnético convencionales y degradar la precisión de la conmutación.

Para mantener la fidelidad de posicionamiento sin incrementar la masa, el volumen de integración y el coste de la lista de materiales con blindajes magnéticos externos o imanes objetivo sobredimensionados, el hardware del sensor debe integrar rechazo en modo común de forma nativa. Además, la conducción autónoma de Nivel 3 en adelante exige independencia de hardware de doble canal para cumplir con los criterios de seguridad funcional más estrictos sin expandir las dimensiones físicas del encapsulado.

Arquitectura de sensor con pastillas apiladas y principios de detección
El Micronas HAR 3025 responde a estas restricciones de espacio y fiabilidad integrando dos pastillas completamente independientes, apiladas verticalmente dentro de un único encapsulado QFN24 de 4 × 4 milímetros equipado con flancos humectables (wettable flanks) para inspección óptica automatizada. Dado que las pastillas apiladas comparten centros coincidentes de sensibilidad magnética, ambos canales interceptan el mismo vector de campo magnético a partir de un imán objetivo bipolar simple dispuesto al final del eje (end-of-shaft). Esta alineación física permite que la unidad de control electrónico realice comprobaciones de plausibilidad en tiempo real sin desfases matemáticos provocados por el desplazamiento lateral de las pastillas.

Cada pastilla individual cuenta con una matriz de seis placas Hall horizontales combinada con procesamiento diferencial de señal integrado. De conformidad con los requisitos de la norma ISO 11452-8:2015, la topología diferencial mide el gradiente del campo magnético objetivo al tiempo que cancela los campos magnéticos dispersos externos homogéneos. El dispositivo evalúa densidades de flujo magnético en un amplio rango que abarca desde ±5 militeslas hasta ±250 militeslas.

Implementación de seguridad funcional y gestión de fallos
Desarrolladas como un Elemento de Seguridad fuera de Contexto (SEooC) de acuerdo con la norma ISO 26262:2018, ambas pastillas dentro del sensor cumplen de manera independiente con las métricas de seguridad ASIL D. La separación física y eléctrica asegura que un fallo en una de las pastillas no se propague a la otra. Si un canal entra en una condición de fallo, el segundo canal continúa funcionando a pleno rendimiento para preservar la capacidad operativa ante fallos a nivel de sistema.

Los bloques de diagnóstico en el chip supervisan continuamente los parámetros críticos, incluida la estabilidad del reloj interno, los niveles de tensión de alimentación, la temperatura de unión, la integridad del procesamiento de la señal Hall, los registros de configuración y la memoria no volátil EEPROM. Al detectar una anomalía interna, la pastilla afectada conmuta sus salidas analógicas a un estado de alta impedancia, permitiendo que circuitos externos de pull-up o pull-down en la etapa de entrada del microcontrolador identifiquen y aíslen el error.

Precisión de salida analógica y acondicionamiento de señal
El sensor proporciona mediciones angulares sin contacto de 360 grados a velocidades de rotación que alcanzan hasta 60 000 revoluciones por minuto. Las salidas están estructuradas como señales analógicas ratiométricas de seno y coseno, disponibles en configuraciones diferenciales o de un solo extremo (single-ended). La cadena de señal analógica mantiene una fluctuación (jitter) de tiempo de retardo muy baja, con valores cuadráticos medios (RMS) limitados a 2 nanosegundos, lo que respalda un control vectorial preciso y la supresión de la ondulación del par (torque ripple) en motores de corriente continua sin escobillas (BLDC), motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) y máquinas de inducción de CA.

Con un rango de tensión de alimentación de 3,0 voltios a 5,5 voltios, la unidad opera a temperaturas de unión entre -40 grados Celsius y 170 grados Celsius, alcanzando especificaciones de temperatura ambiente de hasta 150 grados Celsius. La calibración estática en las pruebas de final de línea (end-of-line) proporciona un error angular total de 0,6 grados o menos, que puede optimizarse aún más hasta 0,1 grados o menos mediante algoritmos de compensación dinámica a nivel de microcontrolador.

Los parámetros de la cadena de señal —incluyendo ganancia, offset, referencia de ángulo cero, corrección de ortogonalidad y cuatro límites de ancho de banda seleccionables entre 4,6 kilohercios y 70,5 kilohercios— son programables directamente a través de los pines de salida. Esta metodología de calibración de un solo hilo elimina la necesidad de pines de programación dedicados. Ya se encuentran disponibles muestras de ingeniería comercial para la validación por parte de proveedores Tier 1 del sector automotriz, con el inicio de la producción en serie programado para la primera mitad de 2027.

Contexto adicional:
Esta sección detalla especificaciones técnicas y análisis comparativos no incluidos en el anuncio original del producto.

El mercado de sensores de posición de motor para automoción cuenta con varias topologías principales de detección, incluyendo matrices de efecto Hall y arquitecturas magnetorresistivas anisótropas (AMR), gigantes (GMR) y de efecto túnel (TMR). En aplicaciones x-by-wire de alta potencia, los sensores de matriz de efecto Hall continúan utilizándose ampliamente debido a sus altos límites de saturación magnética y a su demostrada compensación de campos dispersos basada en gradientes espaciales de campo, mientras que los dispositivos magnetorresistivos sin blindaje pueden saturarse bajo campos externos intensos que superen los 2 a 5 militeslas a menos que cuenten con blindaje dedicado o corrección algorítmica.

En el panorama competitivo de los sensores redundantes de posición de motor ASIL D, el Micronas HAR 3025 compite directamente con soluciones de doble pastilla como las series Allegro MicroSystems A33020 y A33230, la familia Melexis MLX90380 y MLX90423, y los productos de doble pastilla Infineon XENSIV TLE5014. Aunque soluciones como el Allegro A33020 también incorporan inmunidad frente a campos dispersos con interfaces digitales y analógicas en encapsulados de montaje superficial, los enfoques de diseño varían entre disposiciones de pastillas contiguas (como en los encapsulados TSSOP-16) y pastillas apiladas verticalmente (como en los formatos compactos QFN de 4 × 4 milímetros).

Las configuraciones de pastillas apiladas ofrecen una ventaja mecánica intrínseca al eliminar el error de paralaje espacial entre canales, asegurando que ambos elementos de detección lean ángulos de campo magnético idénticos sin necesidad de corrección de desfase en el firmware. El cumplimiento de las condiciones de prueba de Nivel 4 de la norma ISO 11452-8:2015 exige que los dispositivos soporten campos magnéticos de CC y CA de hasta 4000 amperios por metro (aproximadamente 5 militeslas) en bajas frecuencias sin exceder los límites de error angular. Los anchos de banda de salida elevados por encima de 50 kilohercios, combinados con retardos de grupo inferiores al microsegundo, se han convertido en el estándar de referencia de la industria para la conmutación a alta velocidad de motores de tracción en vehículos eléctricos, minimizando así la ondulación del par y las pérdidas de conmutación del inversor de potencia.

Editado por Natania Lyngdoh, editora de Induportals, con asistencia de IA.

www.micronas.tdk.com