當前,，汽車功能電子化趨勢正日益加強，以應對日益嚴格的燃油能效法規(guī),，和滿足消費者對節(jié)能,、安全,、舒適以及便捷等方面的更高要求。汽車已經(jīng)從單純的機械產(chǎn)品變身為復雜的機電一體化產(chǎn)品,，安裝在汽車中的電機數(shù)量持續(xù)增加,。據(jù)預測，到2020年,，每輛豪華車中的電機數(shù)將多達120臺,。直流無刷 (BLDC)電機由于具有多種優(yōu)勢，正被越來越多地整合至汽車水泵,、油泵,、燃油泵、散熱風扇,、暖通空調(diào)(HVAC),、混合動力系統(tǒng)、座椅風扇等部件,，實現(xiàn)更高能效和性能,。
圖1：無刷直流電機在汽車中的應用
直流無刷電機的優(yōu)勢
直流無刷電機無需電刷和換向器，解決空間受限的系統(tǒng)設(shè)計,，且不用擔心一般的磨損,、火花和噪聲，提供良好的控制,，為汽車內(nèi)的特定應用提供可變速控制,。更重要的是，直流無刷電機可提升燃油能效,，節(jié)省約60%~70%的能耗,。當無刷電機用于電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)，行駛里程增加3~5%,，用于 電動水泵(EWP)及電動油泵(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)動機電源運行,。如果發(fā)動機停止，發(fā)動機啟停系統(tǒng)就沒有電 源,。但是,，如果電機用于水泵和油泵，無論發(fā)動機是啟動還是停止,，這些功能都可獨立運行,，從而提升燃油經(jīng)濟性。
采用直流無刷電機的設(shè)計考量
若采用直流無刷電機替代有刷電機,，那么以前必須由換向器機械式完成的工作,，現(xiàn)在通過三相逆變器電氣化完成,。逆變器需要一個門極驅(qū)動器，它通常由一個微控制器實施復雜的軟件算法來控制,。這增加了系統(tǒng)復雜性,，對工程師來說是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。而安森美半導體推出的智能直流無刷電機控制和驅(qū)動芯片LV8907,，可解決這一挑戰(zhàn),。該方案無需外部電機位置傳感器或系統(tǒng)微控制器，減少PCB占位面積,，自帶嵌入式控制算法,，無需自寫電機控制算法，降低系統(tǒng)復雜性,，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
智能直流無刷電機方案LV8907概覽
LV8907利用無傳感器驅(qū)動邏輯實現(xiàn)無傳感器120度或150度控制換流,，采用近似正弦波運行以滿足無聲驅(qū)動要求,。可配置的參數(shù)適合一系列電機和負載組合,，一次性可編程(OTP)內(nèi)存提供參數(shù)存儲,，實現(xiàn)方案定制化，省去外部元件來執(zhí)行各種設(shè)置,，實現(xiàn)獨立工作,，集成門極驅(qū)動器，用于驅(qū)動外部N-MOSFET,，電荷泵驅(qū)動提供100%占空比和擴展的低壓工作,。芯片通過LIN接口與外界交互，SPI接口提供配置,、實時控制和診斷,。在汽車應用中，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175℃,，確保在嚴苛的汽車工作環(huán)境下的可靠性，完全符合AEC-Q100標準,。
圖3：LV8907框圖
由于LV8907高度集成MOSFET門極驅(qū)動器,、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,、過壓/欠壓保護,、過溫保護,、堵轉(zhuǎn)保護等一系列保護特性，基于狀態(tài)機的方案采用OTP實現(xiàn)參數(shù)化,，無EMI/EMC問題引起的數(shù)據(jù)損壞,，實現(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80%的開發(fā)時間,，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,。如安森美半導體的STK984系列，集成BLDC LV8907和多個獨立的功率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)動汽車滑動門,、EPS單元,、泵、雨刮,、HVAC和散熱風扇,，提供更高可靠性。
圖4：獨立的無傳感器式電機控制IPM
STK984系列采用獨特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST),，將不同結(jié)構(gòu)的半導體元件及無源器件和其它部分集成到單個模塊中,。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相無刷電機驅(qū)動器IPM STK984-090A-E/091A-E內(nèi)置預驅(qū)動器IC,、分流電阻和電荷泵電路，集成過流,、過溫,、過壓/欠壓等保護特性，可用于汽車鼓風機風扇,、散熱風扇,、水泵和滑動門等等。
又如STK984-190-E集成7 個MOSFET到單個小封裝中,，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)計靈活性,，內(nèi)置反向連接電池保護，提升可靠性,，完全符合AEC-Q100要求,，用于12 V系統(tǒng)時的電機功率達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,、風扇和泵等應用的理想器件,。
總結(jié)
為應對汽車功能電子化趨勢，車用電機正越來越多,，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,。安森美半導體提供全面的無刷電機方案，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)計時間等方面的挑戰(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,、散熱風扇,、HVAC、雨刮器和滑動門等汽車應用的理想選擇,。