當(dāng)前，汽車功能電子化趨勢正日益加強(qiáng),，以應(yīng)對日益嚴(yán)格的燃油能效法規(guī),，和滿足消費(fèi)者對節(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,，到2020年,，每輛豪華車中的電機(jī)數(shù)將多達(dá)120臺。直流無刷 （BLDC）電機(jī)由于具有多種優(yōu)勢,，正被越來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：無刷直流電機(jī)在汽車中的應(yīng)用
直流無刷電機(jī)的優(yōu)勢
直流無刷電機(jī)無需電刷和換向器,，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,，直流無刷電機(jī)可提升燃油能效,，節(jié)省約60%~70%的能耗。當(dāng)無刷電機(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)就沒有電源。但是,，如果電機(jī)用于水泵和油泵,，無論發(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,。
采用直流無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)考量
若采用直流無刷電機(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)雜的軟件算法來控制。這增加了系統(tǒng)復(fù)雜性,，對工程師來說是一大技術(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,，無需自寫電機(jī)控制算法,，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，縮短開發(fā)周期,，加快產(chǎn)品上市,。
圖2：LV8907無需傳統(tǒng)方案中的微控制器和傳感器
智能直流無刷電機(jī)方案LV8907概覽
LV8907利用無傳感器驅(qū)動(dòng)邏輯實(shí)現(xiàn)無傳感器120度或150度控制換流，采用近似正弦波運(yùn)行以滿足無聲驅(qū)動(dòng)要求,?？膳渲玫膮?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；無需依賴的位置傳感器,，無軟件缺陷,，故障監(jiān)測及診斷功能完善,，集成逐周期限流、過流保護(hù),、過壓/欠壓保護(hù),、過溫保護(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EMI/EMC問題引起的數(shù)據(jù)損壞，實(shí)現(xiàn)最高系統(tǒng)可靠性,；LV8907無需軟件和易于定制,，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)體元件及無源器件和其它部分集成到單個(gè)模塊中。IMST結(jié)構(gòu)通過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,?；贗MST的IPM，由于功率晶體管,、提供溫度檢測的控制電路和保護(hù)電路可貼裝在同一板上,，從而最大限度減小溫度檢測的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度溫度檢測,；由于在金屬基板的鋁片和銅箔之間有一個(gè)分布式電容通過絕緣樹脂,，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,，集成過流、過溫,、過壓/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)對汽車功能電子化趨勢,，車用電機(jī)正越來越多，并從有刷直流向無刷直流發(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)體提供全面的無刷電機(jī)方案,，包括分立和集成方案,，如無傳感器的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,。