未来，自动驾驶将会最大程度地提高出行的便利性。在此之前，许多小型电气驱动器使得车辆的控制更加轻松便捷。然而，它们的结构如何？需要满足哪些要求？制造商可以提供哪些应用程序来使客户的驾驶体验更加愉悦呢？
 
儒卓力ABU现场应用工程师Bernd Wondratschek
 
 
如今，一部中型车辆中有超过75个小型电气驱动器，并且这一数目还在不断增加。在调节后视镜或关闭行李箱门的电动手柄功能中，使用了功率高达100 W的电机，根据使用者的状况，还可能实现其他的自动调节机制，包括座椅、内饰镜子和头枕，甚至包括用手势控制车厢门，以及用来打开和关闭杂物箱。
 
由于小型驱动器基于12 V车载电压，因此可以直接通过端30(电池)或端15(点火后)供电。这就是为什么12 V电气系统不会在未来的车辆中消失的部分原因。把这个功率级别转换为越来越流行的48 V技术，目前在降低生产和开发成本方面尚无任何明显的好处。然而，48 V电气系统拥有较低导线横截面和标称负载电流(仅是12 V系统的四分之一)，这些都是需要长远考虑的因素。
 
在最高100 W的驱动器中，使用了有刷直流(BDC)和无刷直流电机(BLDC)以及步进电机。后者适用于需要绝对精度控制或需要进行非常精细的步长调整的应用，例如，用于调整后视镜和移动仪表板指针。BDC电机可用于使用寿命长且效率高的场合，以降低成本。BLDC电机是最稳健的型款，但它们更昂贵，有时控制起来较复杂。
 
控制器的结构和功能
图1为带有直流电机的小型驱动器的简化电路设计，其主要部件包括：微控制器、系统基础芯片(SBC)、MOSFET驱动器(栅极驱动器)和数个MOSFET。SBC用于创建与车辆总线的通信接口，以确保为关键组件提供合适的电源，并能够执行功能安全和可靠性方面的任务(例如看门狗功能)。每个MOSFET布置为半桥，与在它们之间连接的电机一起构成全桥(也称为桥)。添加另一个第三半桥可以创建一个B6配置，允许控制两台DC电机(如图1所示)或一个三相BLDC电机。
 

 
带有直流电机的小型驱动器的简化结构
 
单片机通过I/O引脚接收输入控制器信号，并对其进行处理以控制栅极驱动器。同时，它可以在发生错误时评测驱动器信号。MOSFET通过驱动器使用PWM信号来触发。
 
这种全桥/ B6布置可以使得电机顺时针或逆时针旋转。
 
控制BDC电机... ...
 
BDC电机基本上由转子、带碳刷的换向器和定子(或永磁体)组成。碳刷将电流传导到转子，产生的摩擦力导致电刷磨损。旋转运动是由于电流流过转子而形成的转子磁场产生的。转子的磁场与定子的磁场对齐。一旦达到定子磁场的反极，安装在转子中的换向器就会改变转子的磁场，并产生一个反向180°的磁场。这导致两个相同的磁极互相排斥，并且转子磁极被相对应的定子磁极吸引。因此，换向是纯机械的过程，在启动过程中无需确定转子的位置。
 
...... BLDC电机... ...
BLDC电机的结构类似于AC同步电机，并具有纯电子换向机制，转子中带有永磁体，定子中带有可控绕组。绕组通常以彼此成120°的角度(或其中的可分割分数)布置，并根据旋转方向依次受激。转子跟随该旋转磁场动作。
 
为避免因高启动电流引起的过大负载，应在启动前确定转子位置，以确保在启动期间激活正确的绕组。
 
通过基于传感器的位置检测，三个霍尔效应传感器可以精确检测转子永磁体的磁场。这种方法导致较高的组件成本，并且需要更多的空间和布线，但是构建起来很简单。儒卓力提供来自Diodes、Melexis和TDK-Micronas的合适霍尔效应传感器产品，这些产品均已通过汽车级认证(AEC-Q100)。
 
磁场定向控制(FOC)的软件算法实现和电机尺寸转换的管理非常复杂，但这却是一种受欢迎的无传感器方法。为了帮助开发人员设计FOC实施方案，意法半导体(STMicroelectronics)提供了FOC软件工具，即SPC5-MCTK-LIB程序库以及与其SPC5单片机系列相关的评测套件。该程序库可与SPC560P以及SPC574K和SPC58NN型号一起使用，支持多种性能等级的控制器。
 
借助TLE9879三相嵌入式电机驱动器(e-power IC)，包括评测套件和FOC示例算法，英飞凌为通过FOC进行无传感器BLDC控制提供了答案。这款IC的高集成度意味着仅需要B6桥和电机。
 
... ...以及步进电机
步进电机的定子中只有绕组。它们通常被构造为混合式步进电机，转子结构的主要特征是永磁体和软铁芯的结合。绕组的选择性触发允许将转子调整一个特定角度。每步中的角度变化取决于电机的相数和转子中的极对数。角度变化通常为两个相位的1.8°或0.9°(即定子中有两个绕组，转子芯中有相应数量的磁极)。步进电机的控制相对简单，它可以实现可重复的运动并具有很高的精度。另外，它不需要任何位置反馈。
 
小型驱动器的要求
根据应用，小型电气驱动器需要满足各种要求，最重要的是：
 
•高效率
•体积小，重量轻
•低噪音和静音运行
•耐压力(水、灰尘、振动等)
•不同的运行模式(连续运行、定期运行和短暂运行)
•高可靠性，尤其是安全关键型驱动器
•成本低
•易于实施
 
半导体供应商正在通过为此目的而专门增强的IC器件来满足这些需求。例如，东芝的TB9083FTG是专门为功能安全应用而设计的故障安全预驱动器。通过工艺技术的优化实现了更小的封装以及使用更少的材料，例如Diodes的MOSFET (PowerDI3333-8)在40 V下的封装尺寸约为3mm×3mm。降低驱动器中的偏置电流，MOSFET中的较低导通电阻(RDSon)提高了效率，从而降低功率损耗和热量输出。具有顶部冷却和增强散热功能的新封装技术有助于简化热管理，使得IC更加坚固。为了最大程度地减少噪声排放和EMI问题，所有供应商都根据驱动器来实施PWN和压摆率控制等功能。
 
越来越多的系统相关功能集成到半导体模块中，以方便在电路中实施。这包括电流测量和集成电流放大器(CSA)以及保护和诊断功能，例如通过SPI导入数据，以便更轻松地进行状态检测和寿命终止估算，如意法半导体(STMicroelectronics)的L9907器件。自动重启和闩锁等功能还允许进行测试并在发生错误后重启。供应商还提供了诸如英飞凌工具箱之类的模拟工具，以帮助开发人员进行设计。
 
针对不同要求的不同集成级别
根据要求，可以选择具有不同集成度的芯片产品(请参见表格)。
 

特性/外形尺寸	分立	中等集成度	高集成度
空间要求	高	中等	低
保护选项	中等	高	中等
灵活性	高	中等	低
功耗	高	低	中等
总体成本	低	中等	高

 
根据集成度水平，这些IC器件可以满足不同的要求。
 
在分立设计中，每个电路组件都位于PCB上，这通常是成本最低的选择，但它需要足够的空间且会导致更高的环境温度。为了尽可能降低空间需求，Diodes提供了多种类型采用单一封装的双MOSFET (N型)和互补MOSFET(N型和P型)器件。在分立驱动器方面，意法半导体的L9907和英飞凌的TLE9180是一流的产品，它们可以与各种电气系统电压兼容，因此也适用于卡车领域的小型控制应用。
 
对于中型集成应用，一些组件已经结合到模块中。其中可能包含MOSFET和相关的驱动器，例如Rohm的BD63035EFV-M或Bosch AE的CJ260。另一方面，英飞凌在其TLE956x模块中将系统基础芯片(SBC)与驱动程序结合在一起。中型集成产品在空间和成本限制之间提供了很好的折衷方案，它需要的开发工作最少，并且目前是实现电路保护的最佳方法。但是，如果空间非常有限，并且也很难实现PCB冷却，则建议再进一步集成。
 
高集成度方案则将单片机与MOSFET驱动器以及SBC功能集成在单一封装中。但这种方案通常非常不灵活，因为进行调整的唯一方法是触发MOSFET。英飞凌提供这种高度集成的组件，名称为E-Power IC (TLE98xy)。英飞凌针对具有半桥、全桥或B6桥接要求的应用提供了多种IC型款，以弥补灵活性的不足。
 
TDK-Micronas的HVC4223嵌入式电机控制器代表了最高的集成度，它在单个IC中将所有四个组件(单片机、SBC、栅极驱动器和MOSFET)结合在一起，但这也意味着它需要完全满足应用的要求。
 
中高集成度模块的优势是集成了诊断功能，通常包括：
 
•OC / UC –过流/欠流保护
•OT –过热保护
•OL –空载保护
•SC/SCG –短路/对地短路保护
•LD –负载突降保护
•交叉传导保护
•反极性保护(通常经由外部MOSFET)
 
现在厂商还提供具有保护和诊断功能的分立MOSFET驱动器，例如过流和过热保护，尽管通常需要附加的分立组件，例如PTC热敏电阻(PTC：正温度系数)。
 
保护和诊断功能目前已成为电子产品开发人员和OEM厂商的重要考虑因素，因为它们可以轻松监控电路。因此，它们也代表了朝着完全无人驾驶的自我监控车辆迈出的重要一步。