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,。汽車已經從單純的機械產品變身為復雜的機電一體化產品，安裝在汽車中的電機數量持續(xù)增加,。據預測,，到2020年，每輛豪華車中的電機數將多達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(HVAC),、混合動力系統(tǒng),、座椅風扇等部件，實現更高能效和性能,。
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，從而提升燃油經濟性,。
采用直流無刷電機的設計考量
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，現在通過三相逆變器電氣化完成,。逆變器需要一個門極驅動器,，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利用無傳感器驅動邏輯實現無傳感器120度或150度控制換流，采用近似正弦波運行以滿足無聲驅動要求,?？膳渲玫膮颠m合一系列電機和負載組合，一次性可編程(OTP)內存提供參數存儲,，實現方案定制化,，省去外部元件來執(zhí)行各種設置，實現獨立工作,，集成門極驅動器,，用于驅動外部N-MOSFET，電荷泵驅動提供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的結溫(Tj)下工作,，LV8907耐受工作結溫達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,、堵轉保護等一系列保護特性,，基于狀態(tài)機的方案采用OTP實現參數化，無EMI/EMC問題引起的數據損壞,，實現最高系統(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)
隨著降低汽車內電子電路成本,、減小尺寸及重量,，和實現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(IMST)，將不同結構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結構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結構還提供出色的散熱性能,。
例如，3相無刷電機驅動器IPM STK984-090A-E/091A-E內置預驅動器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計靈活性,，內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
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。