當(dāng)前，汽車功能電子化趨勢(shì)正日益加強(qiáng)，以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的燃油能效法規(guī)，和滿足消費(fèi)者對(duì)節(jié)能、安全、舒適以及便捷等方面的更高要求。汽車已經(jīng)從單純的機(jī)械產(chǎn)品變身為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，安裝在汽車中的電機(jī)數(shù)量持續(xù)增加。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，每輛豪華車中的電機(jī)數(shù)將多達(dá)120臺(tái)。直流無(wú)刷 (BLDC)電機(jī)由于具有多種優(yōu)勢(shì)，正被越來(lái)越多地整合至汽車水泵、油泵、燃油泵、散熱風(fēng)扇、暖通空調(diào)(HVAC)、混合動(dòng)力系統(tǒng)、座椅風(fēng)扇等部件，實(shí)現(xiàn)更高能效和性能。
圖1：無(wú)刷直流電機(jī)在汽車中的應(yīng)用
直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)
直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)需電刷和換向器，解決空間受限的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且不用擔(dān)心一般的磨損、火花和噪聲，提供良好的控制，為汽車內(nèi)的特定應(yīng)用提供可變速控制。更重要的是，直流無(wú)刷電機(jī)可提升燃油能效，節(jié)省約60%~70%的能耗。當(dāng)無(wú)刷電機(jī)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)，行駛里程增加3~5%，用于 電動(dòng)水泵(EWP)及電動(dòng)油泵(EOP)提升約3%的能效，用于燃油泵提升約1%的能效。例如，水泵和油泵通常通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電源運(yùn)行。如果發(fā)動(dòng)機(jī)停止，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)就沒(méi)有電 源。但是，如果電機(jī)用于水泵和油泵，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是啟動(dòng)還是停止，這些功能都可獨(dú)立運(yùn)行，從而提升燃油經(jīng)濟(jì)性。
采用直流無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)考量
若采用直流無(wú)刷電機(jī)替代有刷電機(jī)，那么以前必須由換向器機(jī)械式完成的工作，現(xiàn)在通過(guò)三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)器，它通常由一個(gè)微控制器實(shí)施復(fù)雜的軟件算法來(lái)控制。這增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)工程師來(lái)說(shuō)是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。而安森美半導(dǎo)體推出的智能直流無(wú)刷電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)芯片LV8907，可解決這一挑戰(zhàn)。該方案無(wú)需外部電機(jī)位置傳感器或系統(tǒng)微控制器，減少PCB占位面積，自帶嵌入式控制算法，無(wú)需自寫電機(jī)控制算法，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，縮短開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市。
圖2：LV8907無(wú)需傳統(tǒng)方案中的微控制器和傳感器
智能直流無(wú)刷電機(jī)方案LV8907概覽
LV8907利用無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)邏輯實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器120度或150度控制換流，采用近似正弦波運(yùn)行以滿足無(wú)聲驅(qū)動(dòng)要求。可配置的參數(shù)適合一系列電機(jī)和負(fù)載組合，一次性可編程(OTP)內(nèi)存提供參數(shù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)方案定制化，省去外部元件來(lái)執(zhí)行各種設(shè)置，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作，集成門極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)外部N-MOSFET，電荷泵驅(qū)動(dòng)提供100%占空比和擴(kuò)展的低壓工作。芯片通過(guò)LIN接口與外界交互，SPI接口提供配置、實(shí)時(shí)控制和診斷。在汽車應(yīng)用中，要求能在150 °C的環(huán)境溫度(Ta)和170 °C的結(jié)溫(Tj)下工作，LV8907耐受工作結(jié)溫達(dá)175℃，確保在嚴(yán)苛的汽車工作環(huán)境下的可靠性，完全符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。
圖3：LV8907框圖
由于LV8907高度集成MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器、LIN收發(fā)器和低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，最大限度地減少占位面積；無(wú)需依賴的位置傳感器，無(wú)軟件缺陷，故障監(jiān)測(cè)及診斷功能完善，集成逐周期限流、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等一系列保護(hù)特性，基于狀態(tài)機(jī)的方案采用OTP實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，無(wú)EMI/EMC問(wèn)題引起的數(shù)據(jù)損壞，實(shí)現(xiàn)最高系統(tǒng)可靠性；LV8907無(wú)需軟件和易于定制，比基于微控制器的方案縮短達(dá)80%的開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市，并節(jié)省物料單成本。
更高集成度的智能功率模塊(IPM)
隨著降低汽車內(nèi)電子電路成本、減小尺寸及重量，和實(shí)現(xiàn)更高可靠性的要求日益增加，智能功率模塊可更好地滿足趨勢(shì)所需。如安森美半導(dǎo)體的STK984系列，集成BLDC LV8907和多個(gè)獨(dú)立的功率MOSFET，無(wú)需電路板、傳感器和外部微控制器，節(jié)省空間、減輕重量，成本也隨之降低，用于驅(qū)動(dòng)汽車滑動(dòng)門、EPS單元、泵、雨刮、HVAC和散熱風(fēng)扇，提供更高可靠性。
圖4：獨(dú)立的無(wú)傳感器式電機(jī)控制IPM
STK984系列采用獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)，將不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及無(wú)源器件和其它部分集成到單個(gè)模塊中。IMST結(jié)構(gòu)通過(guò)使用絕緣層覆蓋鋁片，將銅箔置于頂層，并在銅箔上蝕刻，使單層布線圖案能被自由定制。基于IMST的IPM，由于功率晶體管、提供溫度檢測(cè)的控制電路和保護(hù)電路可貼裝在同一板上，從而最大限度減小溫度檢測(cè)的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度溫度檢測(cè)；由于在金屬基板的鋁片和銅箔之間有一個(gè)分布式電容通過(guò)絕緣樹(shù)脂，有效地降低噪聲；此外，IMST結(jié)構(gòu)還提供出色的散熱性能。
例如，3相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IPM STK984-090A-E/091A-E內(nèi)置預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC、分流電阻和電荷泵電路，集成過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓/欠壓等保護(hù)特性，可用于汽車鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇、水泵和滑動(dòng)門等等。
又如STK984-190-E集成7 個(gè)MOSFET到單個(gè)小封裝中，采用直接鍵合銅(DBC)基板，無(wú)需絕緣襯墊，具有低熱阻抗，提供極佳散熱性和設(shè)計(jì)靈活性，內(nèi)置反向連接電池保護(hù)，提升可靠性，完全符合AEC-Q100要求，用于12 V系統(tǒng)時(shí)的電機(jī)功率達(dá)300 W。同分立方案相比，STK984-190-E的占位面積、重量、元件數(shù)和熱阻抗分別減少48.7%、36.2%、53.8%和21.1%，是用于汽車雨刮器、風(fēng)扇和泵等應(yīng)用的理想器件。
總結(jié)
為應(yīng)對(duì)汽車功能電子化趨勢(shì)，車用電機(jī)正越來(lái)越多，并從有刷直流向無(wú)刷直流發(fā)展。隨著減小尺寸及重量、降低系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)更高可靠性的要求日益增加，需要不斷提高集成度。安森美半導(dǎo)體提供全面的無(wú)刷電機(jī)方案，包括分立和集成方案，如無(wú)傳感器的BLDC LV8907及更高集成度的IPM STK984系列，解決軟件編寫、空間、成本和設(shè)計(jì)時(shí)間等方面的挑戰(zhàn)，提供更高能效、功率密度和系統(tǒng)可靠性，是水泵、油泵、燃油泵、散熱風(fēng)扇、HVAC、雨刮器和滑動(dòng)門等汽車應(yīng)用的理想選擇。