【導讀】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、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
直流無刷電機的優勢
直流無刷電機無需電刷和換向器，解決空間受限的系統設計，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動機電源運行。如果發動機停止，發動機啟停系統就沒有電源。但是，如果電機用于水泵和油泵，無論發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。這增加了系統復雜性，對工程師來說是一大技術挑戰。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。該方案無需外部電機位置傳感器或系統微控制器，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，降低系統復雜性，縮短開發周期，加快產品上市。
圖2：LV8907無需傳統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。可配置的參數適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收發器和低壓降穩壓器(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%的開發時間，加快產品上市，并節省物料單成本。
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。基于IMST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展。隨著減小尺寸及重量、降低系統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，提供更高能效、功率密度和系統可靠性，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。
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