如今，一部中型車輛中有超過75個(gè)小型電氣驅(qū)動(dòng)器，并且這一數(shù)目還在不斷增加。在調(diào)節(jié)后視鏡或關(guān)閉行李箱門的電動(dòng)手柄功能中，使用了功率高達(dá)100 W的電機(jī)，根據(jù)使用者的狀況，還可能實(shí)現(xiàn)其他的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，包括座椅、內(nèi)飾鏡子和頭枕，甚至包括用手勢控制車廂門，以及用來打開和關(guān)閉雜物箱。

由于小型驅(qū)動(dòng)器基于12 V車載電壓，因此可以直接通過端30(電池)或端15(點(diǎn)火后)供電。這就是為什么12 V電氣系統(tǒng)不會(huì)在未來的車輛中消失的部分原因。把這個(gè)功率級別轉(zhuǎn)換為越來越流行的48 V技術(shù)，目前在降低生產(chǎn)和開發(fā)成本方面尚無任何明顯的好處。然而，48 V電氣系統(tǒng)擁有較低導(dǎo)線橫截面和標(biāo)稱負(fù)載電流(僅是12 V系統(tǒng)的四分之一)，這些都是需要長遠(yuǎn)考慮的因素。

在最高100 W的驅(qū)動(dòng)器中，使用了有刷直流(BDC)和無刷直流電機(jī)(BLDC)以及步進(jìn)電機(jī)。后者適用于需要絕對精度控制或需要進(jìn)行非常精細(xì)的步長調(diào)整的應(yīng)用，例如，用于調(diào)整后視鏡和移動(dòng)儀表板指針。BDC電機(jī)可用于使用壽命長且效率高的場合，以降低成本。BLDC電機(jī)是最穩(wěn)健的型款，但它們更昂貴，有時(shí)控制起來較復(fù)雜。

控制器的結(jié)構(gòu)和功能

圖1為帶有直流電機(jī)的小型驅(qū)動(dòng)器的簡化電路設(shè)計(jì)，其主要部件包括：微控制器、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)、MOSFET驅(qū)動(dòng)器(柵極驅(qū)動(dòng)器)和數(shù)個(gè)MOSFET。SBC用于創(chuàng)建與車輛總線的通信接口，以確保為關(guān)鍵組件提供合適的電源，并能夠執(zhí)行功能安全和可靠性方面的任務(wù)(例如看門狗功能)。每個(gè)MOSFET布置為半橋，與在它們之間連接的電機(jī)一起構(gòu)成全橋(也稱為橋)。添加另一個(gè)第三半橋可以創(chuàng)建一個(gè)B6配置，允許控制兩臺(tái)DC電機(jī)(如圖1所示)或一個(gè)三相BLDC電機(jī)。

單片機(jī)通過I/O引腳接收輸入控制器信號(hào)，并對其進(jìn)行處理以控制柵極驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，它可以在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)評測驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。MOSFET通過驅(qū)動(dòng)器使用PWM信號(hào)來觸發(fā)。

這種全橋/ B6布置可以使得電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

控制BDC電機(jī)... ...

BDC電機(jī)基本上由轉(zhuǎn)子、帶碳刷的換向器和定子(或永磁體)組成。碳刷將電流傳導(dǎo)到轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生的摩擦力導(dǎo)致電刷磨損。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由于電流流過轉(zhuǎn)子而形成的轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子的磁場與定子的磁場對齊。一旦達(dá)到定子磁場的反極，安裝在轉(zhuǎn)子中的換向器就會(huì)改變轉(zhuǎn)子的磁場，并產(chǎn)生一個(gè)反向180°的磁場。這導(dǎo)致兩個(gè)相同的磁極互相排斥，并且轉(zhuǎn)子磁極被相對應(yīng)的定子磁極吸引。因此，換向是純機(jī)械的過程，在啟動(dòng)過程中無需確定轉(zhuǎn)子的位置。

...... BLDC電機(jī)... ...

BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于AC同步電機(jī)，并具有純電子換向機(jī)制，轉(zhuǎn)子中帶有永磁體，定子中帶有可控繞組。繞組通常以彼此成120°的角度(或其中的可分割分?jǐn)?shù))布置，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向依次受激。轉(zhuǎn)子跟隨該旋轉(zhuǎn)磁場動(dòng)作。

為避免因高啟動(dòng)電流引起的過大負(fù)載，應(yīng)在啟動(dòng)前確定轉(zhuǎn)子位置，以確保在啟動(dòng)期間激活正確的繞組。

通過基于傳感器的位置檢測，三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器可以精確檢測轉(zhuǎn)子永磁體的磁場。這種方法導(dǎo)致較高的組件成本，并且需要更多的空間和布線，但是構(gòu)建起來很簡單。儒卓力提供來自Diodes、Melexis和TDK-Micronas的合適霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品均已通過汽車級認(rèn)證(AEC-Q100)。

磁場定向控制(FOC)的軟件算法實(shí)現(xiàn)和電機(jī)尺寸轉(zhuǎn)換的管理非常復(fù)雜，但這卻是一種受歡迎的無傳感器方法。為了幫助開發(fā)人員設(shè)計(jì)FOC實(shí)施方案，意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)提供了FOC軟件工具，即SPC5-MCTK-LIB程序庫以及與其SPC5單片機(jī)系列相關(guān)的評測套件。該程序庫可與SPC560P以及SPC574K和SPC58NN型號(hào)一起使用，支持多種性能等級的控制器。

借助TLE9879三相嵌入式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(e-power IC)，包括評測套件和FOC示例算法，英飛凌為通過FOC進(jìn)行無傳感器BLDC控制提供了答案。這款I(lǐng)C的高集成度意味著僅需要B6橋和電機(jī)。

... ...以及步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)的定子中只有繞組。它們通常被構(gòu)造為混合式步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的主要特征是永磁體和軟鐵芯的結(jié)合。繞組的選擇性觸發(fā)允許將轉(zhuǎn)子調(diào)整一個(gè)特定角度。每步中的角度變化取決于電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子中的極對數(shù)。角度變化通常為兩個(gè)相位的1.8°或0.9°(即定子中有兩個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子芯中有相應(yīng)數(shù)量的磁極)。步進(jìn)電機(jī)的控制相對簡單，它可以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)并具有很高的精度。另外，它不需要任何位置反饋。

小型驅(qū)動(dòng)器的要求

根據(jù)應(yīng)用，小型電氣驅(qū)動(dòng)器需要滿足各種要求，最重要的是：

?高效率

?體積小，重量輕

?低噪音和靜音運(yùn)行

?耐壓力(水、灰塵、振動(dòng)等)

?不同的運(yùn)行模式(連續(xù)運(yùn)行、定期運(yùn)行和短暫運(yùn)行)

?高可靠性，尤其是安全關(guān)鍵型驅(qū)動(dòng)器

?成本低

?易于實(shí)施

半導(dǎo)體供應(yīng)商正在通過為此目的而專門增強(qiáng)的IC器件來滿足這些需求。例如，東芝的TB9083FTG是專門為功能安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)的故障安全預(yù)驅(qū)動(dòng)器。通過工藝技術(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了更小的封裝以及使用更少的材料，例如Diodes的MOSFET (PowerDI3333-8)在40 V下的封裝尺寸約為3mm×3mm。降低驅(qū)動(dòng)器中的偏置電流，MOSFET中的較低導(dǎo)通電阻(RDSon)提高了效率，從而降低功率損耗和熱量輸出。具有頂部冷卻和增強(qiáng)散熱功能的新封裝技術(shù)有助于簡化熱管理，使得IC更加堅(jiān)固。為了最大程度地減少噪聲排放和EMI問題，所有供應(yīng)商都根據(jù)驅(qū)動(dòng)器來實(shí)施PWN和壓擺率控制等功能。

越來越多的系統(tǒng)相關(guān)功能集成到半導(dǎo)體模塊中，以方便在電路中實(shí)施。這包括電流測量和集成電流放大器(CSA)以及保護(hù)和診斷功能，例如通過SPI導(dǎo)入數(shù)據(jù)，以便更輕松地進(jìn)行狀態(tài)檢測和壽命終止估算，如意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的L9907器件。自動(dòng)重啟和閂鎖等功能還允許進(jìn)行測試并在發(fā)生錯(cuò)誤后重啟。供應(yīng)商還提供了諸如英飛凌工具箱之類的模擬工具，以幫助開發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對不同要求的不同集成級別

根據(jù)要求，可以選擇具有不同集成度的芯片產(chǎn)品(請參見表格)。

根據(jù)集成度水平，這些IC器件可以滿足不同的要求。

在分立設(shè)計(jì)中，每個(gè)電路組件都位于PCB上，這通常是成本最低的選擇，但它需要足夠的空間且會(huì)導(dǎo)致更高的環(huán)境溫度。為了盡可能降低空間需求，Diodes提供了多種類型采用單一封裝的雙MOSFET (N型)和互補(bǔ)MOSFET(N型和P型)器件。在分立驅(qū)動(dòng)器方面，意法半導(dǎo)體的L9907和英飛凌的TLE9180是一流的產(chǎn)品，它們可以與各種電氣系統(tǒng)電壓兼容，因此也適用于卡車領(lǐng)域的小型控制應(yīng)用。

對于中型集成應(yīng)用，一些組件已經(jīng)結(jié)合到模塊中。其中可能包含MOSFET和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器，例如Rohm的BD63035EFV-M或Bosch AE的CJ260。另一方面，英飛凌在其TLE956x模塊中將系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)與驅(qū)動(dòng)程序結(jié)合在一起。中型集成產(chǎn)品在空間和成本限制之間提供了很好的折衷方案，它需要的開發(fā)工作最少，并且目前是實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)的最佳方法。但是，如果空間非常有限，并且也很難實(shí)現(xiàn)PCB冷卻，則建議再進(jìn)一步集成。

高集成度方案則將單片機(jī)與MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及SBC功能集成在單一封裝中。但這種方案通常非常不靈活，因?yàn)檫M(jìn)行調(diào)整的唯一方法是觸發(fā)MOSFET。英飛凌提供這種高度集成的組件，名稱為E-Power IC (TLE98xy)。英飛凌針對具有半橋、全橋或B6橋接要求的應(yīng)用提供了多種IC型款，以彌補(bǔ)靈活性的不足。

TDK-Micronas的HVC4223嵌入式電機(jī)控制器代表了最高的集成度，它在單個(gè)IC中將所有四個(gè)組件(單片機(jī)、SBC、柵極驅(qū)動(dòng)器和MOSFET)結(jié)合在一起，但這也意味著它需要完全滿足應(yīng)用的要求。

中高集成度模塊的優(yōu)勢是集成了診斷功能，通常包括：

?OC / UC –過流/欠流保護(hù)

?OT –過熱保護(hù)

?OL –空載保護(hù)

?SC/SCG –短路/對地短路保護(hù)

?LD –負(fù)載突降保護(hù)

?交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)

?反極性保護(hù)(通常經(jīng)由外部MOSFET)

現(xiàn)在廠商還提供具有保護(hù)和診斷功能的分立MOSFET驅(qū)動(dòng)器，例如過流和過熱保護(hù)，盡管通常需要附加的分立組件，例如PTC熱敏電阻(PTC：正溫度系數(shù))。

保護(hù)和診斷功能目前已成為電子產(chǎn)品開發(fā)人員和OEM廠商的重要考慮因素，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松監(jiān)控電路。因此，它們也代表了朝著完全無人駕駛的自我監(jiān)控車輛邁出的重要一步。