La semana pasada, el IEEE celebró su Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC) 2023. Habiendo alcanzado el hito de los 70 años, este evento estuvo repleto de presentaciones y documentos técnicos centrados en los avances en circuitos de estado sólido y sistemas en un chip (SoC).

Entre los documentos interesantes presentados en la ISSCC se encuentran dos de Renesas Electronics, uno sobre un transmisor de potencia inalámbrico de un solo chip para carga inalámbrica y el otro sobre tecnología para SoC de puerta de enlace de comunicación automotriz.

En este artículo, veremos las innovaciones clave descritas en estos documentos de ISSCC y las pondremos en contexto para los diseños de sistemas actuales.

Transmisor de potencia inalámbrico de un solo chip

En su artículo de ISSCC titulado «Controlador de transmisor de potencia inalámbrico de 40 W compatible con Qi de un solo chip que utiliza detección de corriente de bobina RMS y adaptativo ZVS para EMI de 4dB y mejoras de eficiencia de hasta un 1,7 %», los ingenieros de Renesas describieron un transmisor de potencia inalámbrico de un solo chip.

Diagrama de bloques y especificaciones del controlador de transmisión de potencia compatible con Qi de un solo chip de Renesas. Imagen utilizada por cortesía de ISSCC. (Click en la imagen para agrandar)

El dispositivo mide la potencia del transmisor de CA y CC para una mayor precisión y seguridad. En la presentación, el equipo profundizó en los detalles de una tecnología de transmisión con conmutación de voltaje cero adaptativo (ZVS) con interferencia electromagnética (EMI) reducida y mayor eficiencia de transmisión de energía. Renesas dice que estas características permiten la transmisión de energía inalámbrica de hasta 15 W con un receptor de energía Qi (PRx) y hasta 40 W con implementaciones PRx patentadas.

Con esta tecnología, Renesas afirma ser el primero en la industria en desarrollar una tecnología de transmisión de un solo chip que puede medir directamente los componentes de transmisión de energía de CC y CA. De esta manera, la potencia transmitida se puede medir con mayor precisión, proporcionando un medio para detectar con precisión una discrepancia entre el nivel de potencia de PTx y PRx, dice la compañía.

Capacidad de alta potencia y ZVS adaptativo

Como se muestra en la siguiente tabla, el diseño de Reneas se compara con productos comerciales de última generación. Aparte del dispositivo de 15 W de STMicroelectronics, los otros chips están limitados a 5 W, mientras que Renesas ofrece 40 W. Sin ZVS adaptativo, las otras explicaciones no pueden medir las pérdidas de energía de CA.

Es importante destacar que el chip Renesas también puede controlar hasta cuatro bobinas utilizando cinco inversores de medio puente. Además, el dispositivo integra detección de posición PRx para mejorar la libertad de posicionamiento espacial y la demodulación ASK (modulación por cambio de amplitud) de voltaje/corriente/fase.

Transmisor inalámbrico compatible con Qi de un solo chip de Renesa en comparación con otros dispositivos en la industria (arriba). Eficiencia energética mostrada en escaneos térmicos de empaques (abajo). Imagen utilizada por cortesía de ISSCC. (Click en la imagen para agrandar)

Como se muestra en los escaneos térmicos del paquete de hasta 40W en la imagen de arriba, el dispositivo Renesas mantiene la eficiencia por debajo de los 41C. El chip se fabrica en un proceso BCD de 0,18 μm con un tamaño de troquel de 15,6 mm2 {SSCRIPT}. En términos del estándar WPC (Wireless Power Consortium), la compañía afirma que cumple con la especificación WPC-1.2.4 y también cumple totalmente con WPC 1.3+ cuando se combina con un IC de seguridad externo.

Renesas dice que las mejoras técnicas discutidas en el documento ISSCC se han aplicado a algunos de los circuitos integrados de transmisores de potencia inalámbricos de Renesas que ahora están disponibles.

Transición a puertas de enlace automotrices orientadas a las comunicaciones

El otro documento ISSCC de Renesas de este año, titulado «Un procesador de puerta de enlace de comunicación de vehículos de 33 kDMIPS y 6,4 W que logra un enrutamiento de red de 10 Gbps/W, un arranque de bus CAN de 40 ms y una potencia de reserva de 1,4 mW», describe cómo E/E automotriz (eléctrico/electrónico) Las arquitecturas están pasando de un enfoque de arquitectura de puerta de enlace central (CeGW) a una arquitectura de puerta de enlace de comunicación (CoGW). El documento concluye con una implementación propuesta del chip GoGW.

El documento de Reneas ISSCC describe una futura arquitectura de puerta de enlace de comunicaciones (CoGW) construida para conectar estrechamente todos los principales sistemas automotrices. Imagen utilizada cortesía de ISSCC

Como se explica en el documento, CoGW requiere servicios en la nube con autos conectados. Esto ocurre junto con la comunicación entre las ECU automotrices locales en un sistema CeGW. Estos nuevos CoGW requieren comunicaciones Ethernet de varios gigabits y procesamiento de aplicaciones 30k DMIPS.

Los problemas de rendimiento también se complican porque los tiempos de arranque de CAN (Red de área de control) necesitan menos de 50 ms para controlar el automóvil, mientras que también funcionan con menos de 2 mW de energía de reserva para conservar la energía de la batería. Mientras tanto, estos sistemas conectados se enfrentan a ciberataques, como la suplantación de identidad de los servicios en la nube.

Una implementación del procesador CoGW de un solo chip

Con todo esto en mente, el procesador CoGW debe cumplir con todos estos requisitos y evitar los riesgos de seguridad y protección, dijo el periódico. Dado que los servicios automotrices, como las actualizaciones de software, se realizan por aire (OTA), estos desafíos son especialmente críticos.

Aquí se muestra la fotomicrografía del chip de prueba tomada por los autores del artículo de Renesas. El dispositivo está fabricado en un chip CMOS de 12 nm. Imagen utilizada cortesía de ISSCC

Para cubrir todas estas necesidades, dos subsistemas diferentes, el subsistema para el CeGW tradicional (dominio de control) y el subsistema para la aplicación de alto rendimiento (dominio de aplicación), se integran en un solo dado, explica el documento. Esto tiene tres ventajas clave:

1. Para optimizar la potencia conociendo el modo de funcionamiento a través de un control preciso en el chip.
2. Minimizar el riesgo de seguridad a través de comunicación cerrada en chip.
3. Reduzca la sobrecarga de comunicación de múltiples chips entre diferentes dominios (protocolos) a través de una estrecha interconexión en el chip.

Según Renesas, las tecnologías presentadas en el documento ISSCC CoGW de sus equipos se han explotado en el SoC de la puerta de enlace de comunicación del vehículo S4 R-Car de Renesas.