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

由于小型驅(qū)動器基于12 V車載電壓，因此可以直接通過端30(電池)或端15(點火后)供電。這就是為什么12 V電氣系統(tǒng)不會在未來的車輛中消失的部分原因。把這個功率級別轉(zhuǎn)換為越來越流行的48 V技術，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)擁有較低導線橫截面和標稱負載電流(僅是12 V系統(tǒng)的四分之一)，這些都是需要長遠考慮的因素。

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

控制器的結(jié)構和功能

圖1為帶有直流電機的小型驅(qū)動器的簡化電路設計，其主要部件包括：微控制器、系統(tǒng)基礎芯片(SBC)、MOSFET驅(qū)動器(柵極驅(qū)動器)和數(shù)個MOSFET。SBC用于創(chuàng)建與車輛總線的通信接口，以確保為關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(例如看門狗功能)。每個MOSFET布置為半橋，與在它們之間連接的電機一起構成全橋(也稱為橋)。添加另一個第三半橋可以創(chuàng)建一個B6配置，允許控制兩臺DC電機(如圖1所示)或一個三相BLDC電機。

單片機通過I/O引腳接收輸入控制器信號，并對其進行處理以控制柵極驅(qū)動器。同時，它可以在發(fā)生錯誤時評測驅(qū)動器信號。MOSFET通過驅(qū)動器使用PWM信號來觸發(fā)。

這種全橋/ B6布置可以使得電機順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。

控制BDC電機... ...

BDC電機基本上由轉(zhuǎn)子、帶碳刷的換向器和定子(或永磁體)組成。碳刷將電流傳導到轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生的摩擦力導致電刷磨損。旋轉(zhuǎn)運動是由于電流流過轉(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。一旦達到定子磁場的反極，安裝在轉(zhuǎn)子中的換向器就會改變轉(zhuǎn)子的磁場，并產(chǎn)生一個反向180°的磁場。這導致兩個相同的磁極互相排斥，并且轉(zhuǎn)子磁極被相對應的定子磁極吸引。因此，換向是純機械的過程，在啟動過程中無需確定轉(zhuǎn)子的位置。

...... BLDC電機... ...

BLDC電機的結(jié)構類似于AC同步電機，并具有純電子換向機制，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(或其中的可分割分數(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)磁場動作。

為避免因高啟動電流引起的過大負載，應在啟動前確定轉(zhuǎn)子位置，以確保在啟動期間激活正確的繞組。

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

磁場定向控制(FOC)的軟件算法實現(xiàn)和電機尺寸轉(zhuǎn)換的管理非常復雜，但這卻是一種受歡迎的無傳感器方法。為了幫助開發(fā)人員設計FOC實施方案，意法半導體(STMicroelectronics)提供了FOC軟件工具，即SPC5-MCTK-LIB程序庫以及與其SPC5單片機系列相關的評測套件。該程序庫可與SPC560P以及SPC574K和SPC58NN型號一起使用，支持多種性能等級的控制器。

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

... ...以及步進電機

步進電機的定子中只有繞組。它們通常被構造為混合式步進電機，轉(zhuǎn)子結(jié)構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)整一個特定角度。每步中的角度變化取決于電機的相數(shù)和轉(zhuǎn)子中的極對數(shù)。角度變化通常為兩個相位的1.8°或0.9°(即定子中有兩個繞組，轉(zhuǎn)子芯中有相應數(shù)量的磁極)。步進電機的控制相對簡單，它可以實現(xiàn)可重復的運動并具有很高的精度。另外，它不需要任何位置反饋。

小型驅(qū)動器的要求

根據(jù)應用，小型電氣驅(qū)動器需要滿足各種要求，最重要的是：

?高效率

?體積小，重量輕

?低噪音和靜音運行

?耐壓力(水、灰塵、振動等)

?不同的運行模式(連續(xù)運行、定期運行和短暫運行)

?高可靠性，尤其是安全關鍵型驅(qū)動器

?成本低

?易于實施

半導體供應商正在通過為此目的而專門增強的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用而設計的故障安全預驅(qū)動器。通過工藝技術的優(yōu)化實現(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)動器中的偏置電流，MOSFET中的較低導通電阻(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散熱功能的新封裝技術有助于簡化熱管理，使得IC更加堅固。為了最大程度地減少噪聲排放和EMI問題，所有供應商都根據(jù)驅(qū)動器來實施PWN和壓擺率控制等功能。

越來越多的系統(tǒng)相關功能集成到半導體模塊中，以方便在電路中實施。這包括電流測量和集成電流放大器(CSA)以及保護和診斷功能，例如通過SPI導入數(shù)據(jù)，以便更輕松地進行狀態(tài)檢測和壽命終止估算，如意法半導體(STMicroelectronics)的L9907器件。自動重啟和閂鎖等功能還允許進行測試并在發(fā)生錯誤后重啟。供應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)人員進行設計。

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。

在分立設計中，每個電路組件都位于PCB上，這通常是成本最低的選擇，但它需要足夠的空間且會導致更高的環(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MOSFET(N型和P型)器件。在分立驅(qū)動器方面，意法半導體的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域的小型控制應用。

對于中型集成應用，一些組件已經(jīng)結(jié)合到模塊中。其中可能包含MOSFET和相關的驅(qū)動器，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)基礎芯片(SBC)與驅(qū)動程序結(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，并且目前是實現(xiàn)電路保護的最佳方法。但是，如果空間非常有限，并且也很難實現(xiàn)PCB冷卻，則建議再進一步集成。

高集成度方案則將單片機與MOSFET驅(qū)動器以及SBC功能集成在單一封裝中。但這種方案通常非常不靈活，因為進行調(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橋接要求的應用提供了多種IC型款，以彌補靈活性的不足。

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

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

?OT –過熱保護

?OL –空載保護

?SC/SCG –短路/對地短路保護

?LD –負載突降保護

?交叉?zhèn)鲗ПＷo

?反極性保護(通常經(jīng)由外部MOSFET)

現(xiàn)在廠商還提供具有保護和診斷功能的分立MOSFET驅(qū)動器，例如過流和過熱保護，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，因為它們可以輕松監(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。