Otonom sürüş sistemlerinde kullanılan gelişmiş donanımlar, son dönemlerde özellikle kısa devre, voltaj dengesizliği ve sistemsel çökme gibi problemlerle gündeme gelmektedir. Bu donanımlarda kullanılan mikrodenetleyicilerin (MCU) hem yazılım hem de donanım seviyesindeki karmaşık yapıları, bazı durumlarda araç güvenliğini riske atacak sonuçlara yol açabilmektedir.
Kısa Devre Sorununun Teknik Kaynağı
Yeni nesil sürüş bilgisayarlarının çok katmanlı devre kartları ve düşük voltajlı 12V sistemleri, özellikle soğuk havalarda kısa devreye neden olabiliyor. Bu durum; arka kamera, GPS, otopilot sistemleri ve ekran gibi birçok modülün işlevsiz hale gelmesine sebep oluyor.
Detaylı Teknik Süreç:
- Soğuk hava koşulları altında 12 V batarya voltajı ani düşüş yaşayabilir.
- Kalibrasyon veya sistem açılışı sırasında yüksek akım çekildiğinde, TVS diyotlar veya MOSFET'ler bu ani yükü yeterince hızlı absorbe edemediğinde kısa devre oluşabilir.
- Güç hattı kısa devreye girerek kontrol bilgisayarının kapanmasına veya tamamen bozulmasına neden olabilir.
Uygulanan Çözüm Adımları
Sorunun kaynağı netleştirildikten sonra çeşitli yazılım ve donanım tabanlı çözümler hayata geçirildi:
-
Enerji Dizilimi (Power Sequencing) Güncellemesi: Sistem açılış sıralamasında yapılan değişiklikle, kamera kalibrasyonu gibi yüksek akım gerektiren işlemler batarya voltajı stabilize olmadan başlatılmıyor. Bu düzenleme, kısa devre riskini azaltmak için önemli bir yazılım güncellemesiyle devreye alındı.
-
Giriş Güç Koruma Katmanı: PCB tasarımı yeniden ele alındı. 12V giriş hattına hızlı tepki veren TVS diyotlar ve düşük iç dirençli MOSFET regülatörleri eklendi. Bu sayede voltaj spike’larına karşı devre daha dirençli hale getirildi.
-
Termal Yönetim İyileştirmeleri: Donanımda pasif alüminyum soğutucular ve geliştirilmiş termal macun kullanılarak ısı dağılımı optimize edildi. Bu iyileştirmeler kısa devreye sebep olabilecek lokal aşırı ısınmaların önüne geçmeyi hedefliyor.
-
Yazılım Güncellemeleri (OTA): Arıza tespit algoritmaları geliştirilerek, düşük voltaj durumunda sistemin riskli bölümleri geçici olarak devre dışı bırakılabiliyor. Bu sayede sistemin kendi kendini koruma kapasitesi artırıldı.
Sonuç ve Sistem Güvenliği
Yapılan bu iyileştirmeler donanımın kısa devre riskini önemli ölçüde azaltmayı başardı. Özellikle enerji açılış dizisi ve donanım koruma katmanları, sistemin zorlu hava koşullarında bile daha kararlı çalışmasına olanak tanıdı. Geliştirilen yeni protokollerle birlikte, sistem hem yazılım hem de donanım seviyesinde daha güvenli ve öngörülebilir hale getirildi.
Gelecekte donanım tasarımlarının çevresel faktörlere daha duyarlı, modüler ve kendini koruyabilir yapıda olması bekleniyor. Bu doğrultuda yapılan çalışmalar, otonom sistemlerin güvenilirliğini artırmak açısından büyük önem taşıyor.
Çözüm inovasyonu
Başlık: HW4 Sistemlerinde Kısa Devre Koruması – TVS, MOSFET ve Firmware Analizi
Yeni nesil otonom sürüş sistemlerinde, düşük voltajlı 12 V enerji hatları üzerinden çalışan kontrol bilgisayarları ciddi elektriksel zorlanmalara maruz kalabilir. Özellikle voltaj dalgalanmaları ve ani akım çekimleri, TVS diyotlar ve MOSFET'lerin tepki süresini zorlayabilir. Bu yazıda, donanım koruma elemanlarının matematiksel analizleri, kısa devre akım dalga formu ölçümleri ve firmware geçiş adaptasyonları teknik seviyede incelenmektedir.
⚡ TVS ve MOSFET Koruma Elemanlarının Tepki Süresi
1. TVS Diyot Tepki Süresi TVS (Transient Voltage Suppressor) diyotlar, ani voltaj yükselmelerine karşı devreyi korumak için kullanılır. Bir TVS diyodun tepki süresi şu şekilde ifade edilir:
tₜᵥₛ ≈ L × (dI/dt) / Vₜₐ₉ₑₜ
L: hat endüktansı (tipik 0.1–0.3 µH)
dI/dt: akım yükselme hızı
Vtarget: nominal kırılma voltajı
Örneğin, 0.2 µH hat endüktansı ve 10 A/µs akım değişimi için:
tₜᵥₛ ≈ (0.2×10⁻⁶) × (10×10⁶) / 24 ≈ 0.083 µs
Bu süre, bazı hızlı akım artışlarında yeterli olmayabilir.
2. MOSFET Geçiş Süresi (Rise Time) MOSFET’ler, enerji hatlarını açıp kapama görevini üstlenir. Gate şarj süresiyle belirlenen tepki süresi:
tᵣ ≈ (Q_g × R_g) / V_gs
Q_g: gate yükü (nC)
R_g: gate direnci (Ω)
V_gs: gate-source voltajı (V)
Örneğin, Q_g = 35nC, R_g = 10Ω, V_gs = 10V için: tᵣ ≈ (35×10⁻⁹ × 10) / 10 = 35 ns
Bu süre TVS’ten daha hızlı olsa da; eğer trigger gecikirse, kısa devre önlenemeyebilir.
📉 Kısa Devre Akımı: Dalga Formu Analizi
Kısa devre anında gözlemlenen tipik akım formu:
t = 0–0.1 µs: Akım çok hızlı şekilde yükselir (dI/dt çok büyük)
t = 0.1–1 µs: Akım tepeye ulaşır, devre koruyucu eleman tepkisine göre ya kırılır ya da iletimi durdurur
t > 1 µs: Akım sönümlenmeye başlar veya sigorta/MCU kontrollü shutdown gerçekleşir
Bu dalga formu osiloskop ile ölçüldüğünde yaklaşık 8–15 A’lık peak değer ve 2–5 µs'lik toplam süre gözlemlenir. Bu nedenle koruma elemanlarının 1 µs altı tepki süresi hayati önem taşır.
🧠 MCU Geçişlerinde Firmware Portlama Süreci
Donanım platformlarının değişmesi, yazılım tarafında firmware geçişlerini zorunlu kılar. Tipik MCU geçişinde izlenen adımlar:
1. Yeni MCU çekirdeği tanımlanır: Örneğin, Cortex-M4'ten RISC-V'e geçiş
2. Perifer yapılandırması yeniden yazılır: GPIO, ADC, SPI, I2C pinleri yeni MCU'ya göre yeniden tanımlanır
3. RTOS bağımlılıkları uyarlanır: FreeRTOS veya Zephyr gibi işletim sistemlerinde scheduler yapısı yeni mimariye göre port edilir
4. Sürücü katmanı yeniden inşa edilir: Timer, PWM, CAN protokolü gibi modüller yeni MCU’nun register setine uygun yazılır
5. Test aşaması: Tüm sistem modülleri gerçek donanım üzerinde test edilir, zamanlayıcı ve watchdog analizleri yapılır
Örnek: Renesas RL78 → STM32 geçişinde SPI modülü için interrupt yapılandırması, clock polarity ve DMA yönetimi tamamen yeniden kodlanmak zorundadır.
Sonuç
HW4 tipi yüksek performanslı sürüş bilgisayarlarında kullanılan koruma elemanları (TVS, MOSFET), çok kısa sürede meydana gelen voltaj bozulmalarına karşı ilk savunma hattıdır. Bu elemanların doğru hesaplanmış değerlerle seçilmesi, sistemin hayatta kalma oranını ciddi oranda artırır. Aynı zamanda MCU platform değişimlerinde firmware port süreci, sistem kararlılığı ve güvenliği için dikkatle yürütülmelidir.
Bu yazıda yer alan matematiksel analizler ve ölçümler, kısa devre karşısında donanım sisteminin nasıl davranması gerektiği konusunda somut bir temel sunmakta.