汽車電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)如何？機(jī)械電機(jī)會(huì)被取代？

針對(duì)許多不同汽車應(yīng)用紛紛實(shí)現(xiàn)智能電機(jī)控制的趨勢(shì)，英飛凌科技發(fā)布了具有很高集成度的Embedded Power家族橋式驅(qū)動(dòng)器。新的Embedded Power器件在一顆芯片上集成了基于ARM Cortex-M3處理器的高性能單片機(jī)，以及非易失性存儲(chǔ)器、模擬和混合信號(hào)外設(shè)、通信接口和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器等。Embedded Power IC經(jīng)專門設(shè)計(jì)，有助于為各式各樣要求小型（SFF）封裝和最少數(shù)量外接元件的電機(jī)控制應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化電機(jī)控制解決方案。((圖1))

汽車電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代汽車中集成的電子控制電機(jī)數(shù)量與日俱增。2012年，商業(yè)情報(bào)和軟件分析企業(yè)IHS公司的市場(chǎng)分析師計(jì)算，汽車中使用的電子控制電機(jī)數(shù)量已達(dá)到23億臺(tái)。他們預(yù)計(jì)，到2017年，這個(gè)數(shù)字將增至29億，相當(dāng)于平均復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）達(dá)到5.7%。也就是說，平均每輛汽車中有大約30臺(tái)電子控制電機(jī)。目前，其中約68%的電機(jī)是直流有刷電機(jī)，15%是直流無刷電機(jī)，且直流無刷電機(jī)的數(shù)量將大幅增長(zhǎng)。

電子控制電機(jī)取代機(jī)械電機(jī)

汽車中的電動(dòng)電機(jī)數(shù)量快速增長(zhǎng)，是因?yàn)殡娮涌刂齐姍C(jī)正逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)有助于提高能效、降低二氧化碳排放的創(chuàng)新汽車架構(gòu)。在混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中實(shí)現(xiàn)起停功能，便是一個(gè)典型例子。這些架構(gòu)主要基于分布式、機(jī)電一體化電機(jī)控制解決方案。汽車制造商和設(shè)備制造商需要穩(wěn)定而又靈活的智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，以便其優(yōu)化最終產(chǎn)品的尺寸和性能。不久前英飛凌發(fā)布的Embedded Power IC是完備的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，可助力實(shí)現(xiàn)外形小巧、經(jīng)濟(jì)劃算的機(jī)電一體化電機(jī)控制設(shè)計(jì)。

在適應(yīng)小型分布式負(fù)載的過程中，以能效為驅(qū)動(dòng)的汽車發(fā)展趨勢(shì)逐漸清晰。譬如，HVAC鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇、水泵和油泵、電動(dòng)車窗、前后雨刮器等等，不勝枚舉。“分布式電機(jī)智能控制”可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新汽車設(shè)計(jì)，帶來諸多優(yōu)點(diǎn)，如，最大限度地減少布線、減輕重量、減少占用空間、開銷更低且選項(xiàng)更簡(jiǎn)單的平臺(tái)解決方案、分布式計(jì)算能力、更出色的診斷性能、均衡的功率耗散、更杰出的EMC性能、旨在優(yōu)化性價(jià)比的專用功能，以及標(biāo)準(zhǔn)化低成本物理層和協(xié)議處理程序等。要實(shí)現(xiàn)“分布式電機(jī)智能控制”，創(chuàng)新IC驅(qū)動(dòng)器概念是關(guān)鍵。 ((圖2))

英飛凌全新電機(jī)控制IC是外形小巧、一應(yīng)俱全的芯片解決方案，它包含了用于感測(cè)、控制和啟動(dòng)諸如高端天窗、電動(dòng)車窗、泵（燃油、機(jī)油和水）、HVAC鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等等設(shè)備常用的電動(dòng)電機(jī)所需的全部必要功能，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。

符合汽車行業(yè)質(zhì)量要求的前沿技術(shù)

英飛凌新推出的高集成度Embedded Power家族，結(jié)合了其符合汽車行業(yè)質(zhì)量要求的專有130nm Smart Power生產(chǎn)工藝，與其在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的廣博經(jīng)驗(yàn)。得益于塊狀硅基130nm雙極型CMOS-DMOS（BCD）工藝，它在一顆芯片上高效集成了邏輯電路、模擬電路、存儲(chǔ)器和功率級(jí)電路。相比于過去那種需要獨(dú)立式單片機(jī)、橋式驅(qū)動(dòng)器和LIN（局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）收發(fā)器的多芯片設(shè)計(jì)，現(xiàn)在，具備最少外接元件數(shù)量的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，將令汽車系統(tǒng)供應(yīng)商獲益匪淺。最新發(fā)布的Embedded Power產(chǎn)品將元件數(shù)量從當(dāng)前的約150多顆，減少到了不足30顆，從而允許在僅3平方厘米的電路板空間內(nèi)，集成實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制所需的全部功能和有關(guān)外接元件。所以，它們有助于集成與電機(jī)關(guān)系密切的電子元件，實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。((圖3))

智能電機(jī)控制應(yīng)用要求各式各樣的、以能效、系統(tǒng)成本和舒適性需求等為驅(qū)動(dòng)的尖端電機(jī)控制機(jī)制。從基于傳感器的塊交換，到高端無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC），必須支持不同電機(jī)控制算法。新近取得質(zhì)量認(rèn)證的汽車用Embedded Power家族設(shè)計(jì)，通過采用ARM Cortex M3處理器，解決了智能電機(jī)控制面臨的這些挑戰(zhàn)。這些新器件擁有32位處理器性能，而占板空間僅與16位處理器相當(dāng)。通過促進(jìn)將強(qiáng)大的單片機(jī)和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，與所有必要的感測(cè)、控制和啟動(dòng)等功能相結(jié)合的片上系統(tǒng)方法，可靈活擴(kuò)展的Embedded Power家族能幫助汽車系統(tǒng)供應(yīng)商降低系統(tǒng)成本、提高可靠性、降低系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜度。((圖4))

TLE987x和TLE986x橋式驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵特性

TLE987x和TLE986x均采用了ARM Cortex M3處理器。其外設(shè)集包含：電流傳感器、與捕獲和比較單元（CAPCOM6）同步、可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）控制的逐次逼近型10位ADC，以及16位定時(shí)器。此外，集成了一個(gè)業(yè)經(jīng)認(rèn)證的LIN收發(fā)器，以便與器件及眾多通用I/O通信。支持通過LIN收發(fā)器，進(jìn)行快速編程。這兩個(gè)系列產(chǎn)品均具備片上線性穩(wěn)壓器，可為外接負(fù)載供電。它們的閃存容量從36kB到128kB不等。工作電壓輸入范圍為5.4V至28V。集成式電荷泵可實(shí)現(xiàn)低壓運(yùn)行和可編程電流，以及已獲得專利的電流斜率控制，可為各種類型的MOSFET提供優(yōu)化EMC性能，而這僅需使用兩個(gè)外接電容器。這樣一來，比之常見自舉升壓技術(shù)，大大節(jié)省了物料成本。TLE987x和TLE986x都能承受最高40V的負(fù)載突降，同時(shí)維持低至3.0V的擴(kuò)展電源電壓范圍，在此條件下，單片機(jī)和閃存仍可保持完全正常功能。

新的Embedded Power IC的其他特性包括：4K模擬EEPROM、用于診斷功能的8位ADC、SPI、UART、用于為三相電機(jī)控制生成PWM信號(hào)的定時(shí)器 、片上晶振和PLL等。所有器件均具備高級(jí)保護(hù)和診斷功能，如可調(diào)漏-源監(jiān)測(cè)。

PG-VQFN封裝的尺寸僅為7毫米x7毫米，這節(jié)省了電路板空間，縮小了電機(jī)尺寸，減輕了電機(jī)重量。此外，單裸晶解決方案增強(qiáng)了模塊可靠性。

專為三相和兩相電機(jī)控制而優(yōu)化

TLE987x系列橋式驅(qū)動(dòng)器適用于三相（BLDC）電機(jī)設(shè)備，如燃油泵、HVAC鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇、水泵、高能效泵和風(fēng)扇，以及由LIN操縱或通過PWM控制的無傳感器和基于傳感器的（包括磁場(chǎng)定向控制）BLDC電機(jī)設(shè)備。TLE987x系列包含6顆全面集成的NFET驅(qū)動(dòng)器，它們經(jīng)專門優(yōu)化，可通過6顆外接功率NFET來驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)。

TLE986x系列專為驅(qū)動(dòng)兩相直流電機(jī)而優(yōu)化，它集成了4顆NFET驅(qū)動(dòng)器。通過NFET半橋，TLE986x系列可滿足諸如天窗、電動(dòng)車窗和普通智能電機(jī)控制等應(yīng)用的需求。

這兩個(gè)系列產(chǎn)品均提供了可靈活擴(kuò)展的閃存容量和MCU系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，可支持各式各樣的電機(jī)控制算法。TLE987x和TLE986x使用了相同的MCU和外設(shè)，可在DC和BLDC電機(jī)控制應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)協(xié)力效應(yīng)。全新Embedded Power IC系列的所有器件均實(shí)現(xiàn)了引腳兼容和軟件兼容。有了這個(gè)新的可靈活擴(kuò)展的Embedded Power家族，從低端繼電器電機(jī)控制，到高端MOSFET電機(jī)控制，可以高效而又經(jīng)濟(jì)劃算地生產(chǎn)出各種電機(jī)控制設(shè)備。

二次設(shè)計(jì)支持

英飛凌和第三方廠商為基于ARM Cortex -M3的Embedded Power家族橋式驅(qū)動(dòng)器提供了全套開發(fā)工具支持。包括編譯器、調(diào)試器、評(píng)估板、LIN底層驅(qū)動(dòng)配置工具，以及電機(jī)控制的軟件代碼范例。

TLE987x（三相）和TLE976x（兩相）兩個(gè)產(chǎn)品系列均提供入門工具包。包括軟件工具和硬件接口：NFET電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、額外的外接LIN收發(fā)器、RS232接口、調(diào)試LED、J-link Lite調(diào)試器，等等，允許工程師立即著手利用新的Embedded Power IC，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

這個(gè)面向電機(jī)控制的新的符合汽車行業(yè)質(zhì)量要求的SoC解決方案，在一顆芯片上集成了ARM Cortex M3 MCU、可靈活擴(kuò)展的閃存、模擬和混合信號(hào)外設(shè)、通信接口和NFET柵極驅(qū)動(dòng)器。這些高度集成的解決方案是適用于DC和BLDC應(yīng)用的通用平臺(tái)，可支持各種類型的電機(jī)和電機(jī)控制技術(shù)，能幫助汽車系統(tǒng)供應(yīng)商削減研發(fā)成本。這些僅拇指蓋大小的SoC解決方案順應(yīng)了當(dāng)前朝智能DC和BLDC電機(jī)控制轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，可滿足汽車機(jī)電一體化市場(chǎng)與日俱增的需求。