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应对最新汽车趋势的高度集成的电机控制方案
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车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ...
当前,汽车功能电子化趋势正日益加强,以应对日益严格的燃油能效法规,和满足消费者对节能、安全、舒适以及便捷等方面的更高要求。汽车已经从单纯的机械产品变身为复杂的机电一体化产品,安装在汽车中的电机数量持续增加。据预测,到2020年,每辆豪华车中的电机数将多达120台。直流无刷 (BLDC)电机由于具有多种优势,正被越来越多地整合至汽车水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、暖通空调(HVAC)、混合动力系统、座椅风扇等部件,实现更高能效和性能。

直流无刷电机的优势

直流无刷电机无需电刷和换向器,解决空间受限的系统设计,且不用担心一般的磨损、火花和噪声,提供良好的控制,为汽车内的特定应用提供可变速控制。更重要的是,直流无刷电机可提升燃油能效,节省约60%~70%的能耗。当无刷电机用于电动助力转向(EPS),行驶里程增加3~5%,用于 电动水泵(EWP)及电动油泵(EOP)提升约3%的能效,用于燃油泵提升约1%的能效。例如,水泵和油泵通常通过发动机电源运行。如果发动机停止,发动机启停系统就没有电 源。但是,如果电机用于水泵和油泵,无论发动机是启动还是停止,这些功能都可独立运行,从而提升燃油经济性。

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图1:无刷直流电机在汽车中的应用

采用直流无刷电机的设计考量

若采用直流无刷电机替代有刷电机,那么以前必须由换向器机械式完成的工作,现在通过三相逆变器电气化完成。逆变器需要一个门极驱动器,它通常由一个微控制器实施复杂的软件算法来控制。这增加了系统复杂性,对工程师来说是一大技术挑战。而安森美半导体推出的智能直流无刷电机控制和驱动芯片LV8907,可解决这一挑战。该方案无需外部电机位置传感器或系统微控制器,减少PCB占位面积,自带嵌入式控制算法,无需自写电机控制算法,降低系统复杂性,缩短开发周期,加快产品上市。

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图2:LV8907无需传统方案中的微控制器和传感器

智能直流无刷电机方案LV8907概览

LV8907利用无传感器驱动逻辑实现无传感器120度或150度控制换流,采用近似正弦波运行以满足无声驱动要求。可配置的参数适合一系列电机和负载组合,一次性可编程(OTP)内存提供参数存储,实现方案定制化,省去外部元件来执行各种设置,实现独立工作,集成门极驱动器,用于驱动外部N-MOSFET,电荷泵驱动提供100%占空比和扩展的低压工作。芯片通过LIN接口与外界交互,SPI接口提供配置、实时控制和诊断。在汽车应用中,要求能在150 °C的环境温度(Ta)和170 °C的结温(Tj)下工作,LV8907耐受工作结温达175℃,确保在严苛的汽车工作环境下的可靠性,完全符合AEC-Q100标准。

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图3:LV8907框图

由于LV8907高度集成MOSFET门极驱动器、LIN收发器和低压降稳压器(LDO),最大限度地减少占位面积;无需依赖的位置传感器,无软件缺陷,故障监测及诊断功能完善,集成逐周期限流、过流保护、过压/欠压保护、过温保护、堵转保护等一系列保护特性,基于状态机的方案采用OTP实现参数化,无EMI/EMC问题引起的数据损坏,实现最高系统可靠性;LV8907无需软件和易于定制,比基于微控制器的方案缩短达80%的开发时间,加快产品上市,并节省物料单成本。

更高集成度的智能功率模块(IPM)

随着降低汽车内电子电路成本、减小尺寸及重量,和实现更高可靠性的要求日益增加,智能功率模块可更好地满足趋势所需。如安森美半导体的STK984系列,集成BLDC LV8907和多个独立的功率MOSFET,无需电路板、传感器和外部微控制器,节省空间、减轻重量,成本也随之降低,用于驱动汽车滑动门、EPS单元、泵、雨刮、HVAC和散热风扇,提供更高可靠性。

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图4:独立的无传感器式电机控制IPM

STK984系列采用独特的绝缘金属基板技术(IMST),将不同结构的半导体元件及无源器件和其它部分集成到单个模块中。IMST结构通过使用绝缘层覆盖铝片,将铜箔置于顶层,并在铜箔上蚀刻,使单层布线图案能被自由定制。基于IMST的IPM,由于功率晶体管、提供温度检测的控制电路和保护电路可贴装在同一板上,从而最大限度减小温度检测的误差,实现高精度温度检测;由于在金属基板的铝片和铜箔之间有一个分布式电容通过绝缘树脂,有效地降低噪声;此外,IMST结构还提供出色的散热性能。

例如,3相无刷电机驱动器IPM STK984-090A-E/091A-E内置预驱动器IC、分流电阻和电荷泵电路,集成过流、过温、过压/欠压等保护特性,可用于汽车鼓风机风扇、散热风扇、水泵和滑动门等等。

又如STK984-190-E集成7 个MOSFET到单个小封装中,采用直接键合铜(DBC)基板,无需绝缘衬垫,具有低热阻抗,提供极佳散热性和设计灵活性,内置反向连接电池保护,提升可靠性,完全符合AEC-Q100要求,用于12 V系统时的电机功率达300 W。同分立方案相比,STK984-190-E的占位面积、重量、元件数和热阻抗分别减少48.7%、36.2%、53.8%和21.1%,是用于汽车雨刮器、风扇和泵等应用的理想器件。

总结

为应对汽车功能电子化趋势,车用电机正越来越多,并从有刷直流向无刷直流发展。随着减小尺寸及重量、降低系统成本和实现更高可靠性的要求日益增加,需要不断提高集成度。安森美半导体提供全面的无刷电机方案,包括分立和集成方案,如无传感器的BLDC LV8907及更高集成度的IPM STK984系列,解决软件编写、空间、成本和设计时间等方面的挑战,提供更高能效、功率密度和系统可靠性,是水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、HVAC、雨刮器和滑动门等汽车应用的理想选择。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2016-6-8)
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