面向车载应用的集成式带保护功能的电机驱动解决方案

半导体

集成式半桥为车载电机驱动提供了一种紧凑小巧的解决方案。与采用继电器和分立式半导体的解决方案相比，集成式半桥具有PWM（脉宽调制）功能、电流感应功能及附加保护功能。

目前的电机驱动方案
现代汽车对高效电机控制的需求稳步上升。这种需求的上升来自舒适和安全功能增多以及降低油耗的需要。对于电机驱动，有很多可供选择的解决方案。不同应用采用的电机类型也不同。汽车上常用的电机包括有刷直流电机（BDC）、无刷直流电机（BLDC）、步进电机和永磁体同步电机等。

由于其成本相对较低且使用简便，有刷直流电机是最常用的电机。有很多方式可以驱动有刷直流电机，其中最简单的方式当属机械式开关。但在现代汽车上，电机必须采用电子控制。另一种简单的电机控制方案是采用继电器，见图 1。继电器方案的最大优势在于价格，但它在功能方面存在缺陷，对于某些应用需求而言，这些缺陷会妨碍它的使用。有刷直流电机的主要缺陷是缺少PWM功能和保护功能，并且在可靠性和使用寿命方面比半导体差。

图 1：用于双向电机控制的继电器方案（半桥结构）不具备PWM功能

如果要求对电机的转速进行控制，一般就需要控制电机的输入电压。由于能源利用效率原因，PWM被越来越多地使用。而PWM的使用需要采用半导体方案，例如分立式MOSFET结合MOSFET栅极驱动器。在此类应用中，通常高边和低边开关均采用N-沟道MOSFET，见图 2。

图 2：用于双向电机控制的分立式半导体方案（半桥结构）具备PWM功能，但占用PCB空间太大

从逻辑上讲，下一步发展方向应该是将功率MOSFET与控制电路一起集成在一个封装里，见图 3。这样可以节省PCB的空间，并提供具有PWM功能的解决方案。为方便使用，还可以将集成式解决方案与逻辑电平输入结合起来。

图3：用于双向电机控制的集成式半导体方案（半桥结构）不仅具备PWM功能，而且节省PCB空间

集成式半桥的优势
与继电器方案相比，集成式解决方案可以提供不同的保护功能和诊断功能，而且，由于具有PWM功能，集成式解决方案还为负载电流控制提供了新的可能性。本文介绍的集成式解决方案建立在半桥方案的基础上。利用辅助P/N MOSFET芯片，可以采用通用的标准无分流引线架。另外，该解决方案不需要N-沟道高边解决方案所需的集成电荷泵或自举电路，因而可以省去电荷泵和外接自举电容所需的引线架管脚。与采用电荷泵的方案相比，这种采用辅助P/N沟道MOSFET的解决方案还可以改善电路的EMC性能。

集成式解决方案还提供了对高边和低边开关的负载电流进行监测的可能性。这种电流控制可以用作针对过载控制的保护功能，并提供了在毋须增加外接元件的情况下监测负载电流的能力，同时还集成了分流调节器和运算放大器的功能。集成式方案还提供一个电流感应输出信号，该信号可以通过一个外接电阻方便地转换为可放大的电压信号，作为微处理器的输入信号。这给应用带来的好处是，可以直接识别特定的预定负载条件。

集成式解决方案还内置了直接控制功率开关温度的功能。温度一旦达到特定的阈值，功率开关就被关断，并生成故障信号。集成的限流与过温关闭两项功能一起，构成短路保护功能的基础。

P/N解决方案与保护功能一起，可提供任意占空比的脉宽调制功能。为了在开关功率损耗与滤除开关感应发射所需成本之间求得最佳平衡，可以调整转换速率。对于高频PWM，一个严峻的挑战是如何尽量降低高边和低边开关之间的横向交叉电流所导致的额外功率损耗。解决这一问题的方法是，根据开关的转换速率相应调整死区时间。

不言而喻，该方案还提供逻辑输入，以简化与微处理器之间的接口。为了把集成电路在关机模式下的待机电流降低至微安级水平，该方案还配有休眠模式。

应用实例
现代汽车行业存在一种强烈的趋势，那就是不断提高汽车的安全性。在出现撞击事故时，座椅安全带张紧系统会收紧安全带，尽量减少人体受到的冲击力。燃爆式安全带张紧系统是目前市场上的主流产品。但为了提高安全性，汽车上越来越多地使用电动张紧系统。电动张紧系统与燃爆装置一起，在未发生碰撞前预先收紧安全带，消除安全带的松弛现象，从而进一步减少人体在发生碰撞事故时受到的冲击力。在通过弯道时，系统会略微收紧安全带，尽量减少离心力对人体的影响，从而提供更高的舒适性。该产品的难点在于需要在极短的时间内以相对较高的电流对电机进行控制。在该产品的应用中，集成式半桥具有峰值通流能力大、电路板空间占用小和电流感应低的优势。高电流半桥IC NovalithIC BTN7970B在Vs=13.5 V时的额定极限电流值达70A，满足该产品对峰值电流的要求，而其占用的PCB空间最低达到分立式MOSFET和栅极驱动器方案的50%。同时，它所具有的过压和欠压保护、过温保护、限流和短路保护等保护功能，也有助于系统的优化，简化系统的控制概念。整个系统由两个集成式半桥、微控制器、稳压器和通信组件构成，见图 4。

图 4：集成式半桥使座椅安全带预紧系统更加紧凑

现代汽车上所使用电机的数量约为50个，而且这一数字还在稳步上升。除上述例子外，电机还被用于变速箱、车窗升降、座椅调节、HVAC风扇、燃油泵、机油泵和水泵。这些应用在技术上均朝着更低Rdson、更大通流能力和更高转换速度的PWM功能等方向发展，见图 5。未来会出现更多针对这些趋势的集成式产品，为汽车行业提供更高效的电机驱动方案。

图5：半桥产品的未来发展趋势：更低Rdson、更高通流能力和更高转换速度的PWM功能

www.infineon.com/automotive
www.infineon.com/novalithic

作者信息
Rainald Sander：英飞凌科技股份公司汽车事业部高电流开关与桥产品主管
Jonas Gronvall：英飞凌科技股份公司汽车事业部电机驱动解决方案产品营销经理
Mario Noziczka：英飞凌科技股份公司汽车事业部电机驱动应用工程师

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