為什么還在使用繼電器驅(qū)動汽車電機(jī)？

隨著汽車電氣系統(tǒng)中日益采用更小更智能的集成電路(IC)，現(xiàn)在是開始在解決大家熟視無睹的問題的時候了：為什么我們?nèi)匀辉谔齑澳K、車窗玻璃升降器、動力鎖、后擋板升降器、記憶座椅、壓縮機(jī)和泵中用繼電器控制電機(jī)?當(dāng)然，使用繼電器進(jìn)行設(shè)計便宜而且簡單，但是，考慮到其有限的使用壽命和較大的解決方案尺寸，它們的功能對于現(xiàn)代電機(jī)應(yīng)用而言似乎頗顯笨重。對于安靜、小而安全的解決方案，固態(tài)IC是汽車電機(jī)控制應(yīng)用的最佳選擇。

解決方案尺寸

我們來比較一下兩種解決方案，如圖1所示：典型的繼電器解決方案和具有相同額定電壓和電流的等效固態(tài)解決方案。

圖1: 繼電器解決方案與固態(tài)解決方案

針對解決方案尺寸，固態(tài)8mm×8mm方形扁平無引腳封裝(QFN)加上兩個雙排封裝N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)約占繼電器解決方案電路板面積的三分之一。看z軸，整個固態(tài)解決方案大約9毫米高?；?.035英寸。如果要構(gòu)建電機(jī)驅(qū)動器印刷電路板(PCB)，輕松地安裝在電機(jī)外殼的背面，TI的固態(tài)解決方案非常適合此應(yīng)用。

除了尺寸外，固態(tài)柵極驅(qū)動器還集成了一整套保護(hù)功能，在繼電器解決方案中不得不獨(dú)立構(gòu)建這些功能。這些功能包括：

電機(jī)電流測量

對于任何類型的電流調(diào)節(jié)，繼電器和固態(tài)系統(tǒng)都需要并聯(lián)電阻。繼電器解決方案需要單獨(dú)的分立放大器電路來增加在檢測電阻上測量的電壓。然后將增加的電壓發(fā)送到微控制器(MCU)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以便MCU中的數(shù)字邏輯可以決定何時關(guān)閉電機(jī)或限制電流。但是固態(tài)電機(jī)驅(qū)動器通常集成了低端電流并聯(lián)放大器，因此需要的唯一的分立元件是單個電流檢測電阻。圖2顯示了集成電機(jī)驅(qū)動IC和分立電流測量電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的差異。

圖2：分立與固態(tài)電流測量

TI的電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)一步采取了電流調(diào)節(jié)措施，使用連接到集成電流檢測放大器的輸出的內(nèi)部比較器集成逐周期電流斬波方法。所需要的只是一個外部基準(zhǔn)電壓，器件將處理電流限制，釋放原來用于MCU或分立構(gòu)建的資源。檢測放大器的輸出仍然連接到封裝引腳，但如果您只需要一定程度的電流調(diào)節(jié)，請考慮采用完全集成的解決方案，如DRV8702-Q1或DRV8703-Q1。

接口連接MCU

當(dāng)將繼電器和固態(tài)解決方案連接到MCU時，固態(tài)IC通?？梢詫崿F(xiàn)MCU通用輸入輸出(GPIO)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)引腳之間的直接連接。這些IC通常具有足夠的靈活性，可將1.8、3.3或5V邏輯電平電壓與基于接地的高阻抗下拉電阻連接。對于繼電器解決方案，為了實現(xiàn)類似的輸入控制，需要某種電流增益以控制繼電器內(nèi)的螺線管線圈。圖3顯示了將繼電器和固態(tài)驅(qū)動器與MCU連接的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異。

圖3：接口連接MCU

圖3中的繼電器解決方案概述了對摻雜N摻雜P摻雜N摻雜(NPN)雙極結(jié)型晶體管(BJT)的達(dá)林頓管的需求，兩個電阻和一個保護(hù)二極管只會用MCU GPIO引腳直接干擾繼電器線圈。為了創(chuàng)建H橋并驅(qū)動雙向電機(jī)，將需要兩個雙排封裝單刀雙擲[SPDT]繼電器，這意味著需要上述兩個電路元件來單獨(dú)驅(qū)動兩個繼電器線圈。使用TI的電機(jī)驅(qū)動器之一，可以移除所有這些分立元件，從而創(chuàng)建更小更干凈的PCB解決方案。

電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

帶繼電器的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線非常低效。設(shè)計人員可以通過與電機(jī)串聯(lián)放置的不同尺寸的電阻器或具有不同速度的多繞組電機(jī)，使用繼電器來實現(xiàn)動力車窗、升降車門、天窗、滑動車門或泵的多速控制方案。如果要選擇不同的速度，這兩種解決方案都需要更多的繼電器，而更多的繼電器需要更多的電路板空間和分立元件。

使用固態(tài)解決方案，您只需要為TI的電機(jī)驅(qū)動器提供來自MCU的兩個脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在DRV8702-Q1和DRV8703-Q1上，TI提供了相位/使能模式，其中只有一個PWM信號施加到使能引腳，而簡單的邏輯高或低相位引腳控制電機(jī)的方向。邏輯電平的PWM信號直接轉(zhuǎn)換為具有正確電壓的MOSFET柵極，以完全增強(qiáng)高端或低端MOSFET。使用這種類型的接口，您可以快速設(shè)計多速泵、滑動玻璃天窗的定制運(yùn)動曲線、軟關(guān)閉動力車窗、便宜的可變速擋風(fēng)玻璃雨刮器或任何其他類型的簡單運(yùn)動控制電機(jī)應(yīng)用。

實例

小占用空間天窗電機(jī)模塊參考設(shè)計是一款用于天窗和車窗玻璃升降應(yīng)用的固態(tài)電機(jī)控制模塊。該TI參考設(shè)計采用DRV8703-Q1柵極驅(qū)動器，集成了電流并聯(lián)放大器以及兩個雙排封裝汽車級封裝MOSFET，與典型的繼電器解決方案相比，可創(chuàng)建非常小的功率級布局。該設(shè)計還包括兩個TI的DRV5013-Q1鎖存型霍爾傳感器，用于對電機(jī)位置進(jìn)行編碼。

使用TI的固態(tài)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計電機(jī)控制系統(tǒng)將有助于減小PCB解決方案的尺寸，從而實現(xiàn)從同一模塊控制更多的電機(jī)。憑借我們的電機(jī)驅(qū)動器的高集成度和簡單的控制方案，設(shè)計人員可以快速、輕松地重新設(shè)計當(dāng)前正在使用繼電器的大多數(shù)現(xiàn)代有刷直流電機(jī)控制器電路。

其它資源

欲了解更多固態(tài)電機(jī)驅(qū)動器參考設(shè)計，請參閱TI參考設(shè)計庫中的這些參考設(shè)計：

汽車12V 200W(20A)BLDC電機(jī)驅(qū)動參考設(shè)計。

汽車雙軸電動座椅有刷直流電機(jī)驅(qū)動參考設(shè)計。

汽車HVAC多翼板執(zhí)行器/阻尼器直流電機(jī)驅(qū)動器參考設(shè)計。

欲了解汽車電機(jī)驅(qū)動器產(chǎn)品的更多信息，請參見DRV8703D-Q1、DRV8703-Q1和DRV8305-Q1的產(chǎn)品頁面。

在此博客文章中了解更多關(guān)于TI如何將創(chuàng)新應(yīng)用于于的駕駛員座椅的信息。

在此博客文章中閱讀更多關(guān)于汽車HVAC翼板執(zhí)行器的信息。