汽車本地網(wǎng)絡(luò)的機電一體化解決方案

汽車制造商致力于在每種新的汽車設(shè)計中擴大電子控制的使用。在崇尚實用和經(jīng)濟的汽車市場上，相對于機械系統(tǒng)，電子控制的優(yōu)勢在于由更簡易快速的裝配實現(xiàn)成本降低，而重量的減輕則大大減少了燃料成本。品牌汽車的重點在于提供先進的功能并提高乘客的舒適度，讓產(chǎn)品與眾不同，并保證利潤。

這種趨勢要求對汽車裝配線的基礎(chǔ)設(shè)施進行根本改變，例如重新設(shè)計。傳統(tǒng)的點對點配線方式，由于電子子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，會很快變得沉重而復(fù)雜，難以承受。

更重要的是，與大量制動器的中央控制有關(guān)的軟件開發(fā)工作變得尤其復(fù)雜和費時，這就要求設(shè)計師開發(fā)出可靠的軟件。另外，中央控制器和單獨的子系統(tǒng)之間復(fù)雜的信號聯(lián)系，例如對大量電子電動機的PWM控制，會導(dǎo)致高度電磁輻射，造成困難的輻射抑制，這在汽車整體基礎(chǔ)上解決將會非常昂貴。

將更多智能轉(zhuǎn)向單獨的子系統(tǒng)，會減少很多汽車配線和信號傳輸，也會減少汽車中央控制器負荷。驗證和確保軟件能夠運行多個功能組合是一個冗長的過程，需要花費很多工程設(shè)計時間。另外，不同種類的電纜樹的開發(fā)、制作和安裝，以及為每一個電機進行的額外的點對點配線，會很快帶來更多重量和成本。由于控制板和電機之間高密度的信號傳輸，電磁輻射也會開始增多。

另外一個模塊化和容易實現(xiàn)的解決方案，是將數(shù)碼控制融合到一個單片集成或多芯片電機驅(qū)動器。增加或減少一個電機變得更加容易，只需要相應(yīng)增加或減少電機驅(qū)動器芯片或模塊。然而，這需要改變板塊設(shè)計，這個解決方案沒有減少控制板和電機陣列之間配線的復(fù)雜性。因此，如果要解決成本和電磁問題，就需要另外的解決方案。

將更多智能向電機點轉(zhuǎn)移，采用電機一體化模塊，這個模塊包含接口、控制器和驅(qū)動器以及電機本身組成一個獨立的單元，如圖1所示。

圖1電機一體化模塊示意

這樣可減少控制板的裝載量，只包含處理器和一個總線接口，就像三線LIN總線那樣。LIN已經(jīng)被汽車電子集成商廣泛使用，以減少汽車配線的復(fù)雜性和信號傳輸。作為一種業(yè)界標準的互連解決方案，可以采用標準的LIN接口以及模塊內(nèi)部的控制和驅(qū)動功能，來支持大量的機電一體化模塊在汽車上應(yīng)用。

額外增加一個電機，只需簡單地將電機作為一個完整的機電一體化模塊連接到總線上。這不僅解決了軟件復(fù)雜性、EMI和分級性，而且允許汽車模塊供應(yīng)商向汽車制造商客戶交付“現(xiàn)成套裝”模塊。因此，電子系統(tǒng)的集成變得更加直接，為新車型和現(xiàn)有車型的改進獲取市場利益創(chuàng)造寶貴的時間。子系統(tǒng)銷售商也可以創(chuàng)造新的功能，將IP嵌入到模塊中去，這樣就能實現(xiàn)與眾不同，并且保護他們在產(chǎn)品開發(fā)中的投資。

通常和LIN網(wǎng)絡(luò)連接的汽車電子模塊包括安裝在門上的車窗、門鏡和門鎖的驅(qū)動、電子座椅調(diào)節(jié)、頂燈定位系統(tǒng)、溫度控制電機和風(fēng)扇。大多數(shù)這些應(yīng)用都要求在一維或幾維內(nèi)進行控制。為了實施一個機電一體化解決方案，系統(tǒng)集成商不僅需要成熟的LIN接口IP，還需要帶有集成電機驅(qū)動功能的可配置電機控制、CPU和存儲子系統(tǒng)的集成，以及適用于汽車額定電壓的電力電子技術(shù)。

圖2顯示集成了總線接口功能塊和機電一體的電機控制器解決方案。LIN接口接收高電平的電機驅(qū)動和位置命令。智能電機驅(qū)動功能使必要信號從一個電機移動到另一個電機。具體的執(zhí)行可能需要一個狀態(tài)機、微步進電流查找表和電流控制器，能夠由設(shè)計者設(shè)置參數(shù)，以滿足具體的系統(tǒng)要求。除了接口和控制功能，還必須使用其他的功能塊，例如步進電機控制所需的穩(wěn)壓器、電荷泵以及電機驅(qū)動MOSFET。一個智能的電力技術(shù)，可以將所有這些模塊合并成單個集成解決方案，快速地集成到電機組件中去。

圖2電機控制器解決方案示意

這種方式也可以在硬件中采用更加復(fù)雜的電機控制功能，例如電流整形。如果獨立設(shè)計出一種步進電機控制器，設(shè)計者通常會希望采用他們自己的電流整形來支持微步進“向前”、“慢速衰減”、“快速衰減”和“混合衰減”模式。另外一個對步進電機操作有關(guān)鍵影響的設(shè)計是確定PWM頻率。如果頻率設(shè)定過高，就有可能導(dǎo)致過熱。另一方面，如果頻率過低，驅(qū)動器就會產(chǎn)生可聽見的噪音。設(shè)定合理的頻率取決于包括供應(yīng)電壓、常用電流和操作溫度在內(nèi)的操作條件。如果應(yīng)用的是汽車機電一體化模塊，這些都可以精確地得到預(yù)測。假定典型值，計算出一個最佳PWM頻率約為22kHz。因此，在硬件中固定PWM頻率是可行的，這樣能節(jié)省外部的器件。其他在硬件中可能有用的功能，如可以最大化可靠性、減少組件數(shù)量以減少外部二極管或肖特基器件裝置，以及片內(nèi)電流感測都集成在一顆芯片中。片內(nèi)電流感測允許單片集成控制器IC獨立回應(yīng)命令，該命令由設(shè)定電機電流的LIN總線接收。

通過在硬件中采用必要的步進電機控制，圖中顯示的電容成了唯一需要的外部元件。對電子子系統(tǒng)的銷售商來說，這個流線型硬件集成減少了軟件設(shè)計，允許開發(fā)者集中精力在應(yīng)用設(shè)計層面上，增加獨特功能和成本效益。AMI已經(jīng)采用這種方法，為LIN連接的汽車機電一體化模塊設(shè)計了一個單芯片步進電機控制器。

AMI3062x就是一個使用AMI的智能功耗技術(shù)，即智能接口技術(shù)（I2T）制造的單芯片集成IC。I2T可以在一個單獨的IC中實現(xiàn)低壓、中壓和高壓電路集成、高精度模擬電路、非易失性存儲和一些中等復(fù)雜的數(shù)字電路。如圖3所示，在這個器件中，兩個H橋MOSFET驅(qū)動器，都使用了40V的低漏-源電阻RDS（ON）晶體管，能夠滿足高達800mA的電機電流要求。

圖3AMIS-3062X內(nèi)部電路示意

支持智能功耗技術(shù)的開發(fā)工具，也讓工程師有了足夠的靈活性來設(shè)計定制的電機控制總線命令。這些可以用于加速應(yīng)用開發(fā)，以及減少總線的內(nèi)部信號傳輸。

使用標準產(chǎn)品的機電一體化

需要更高電機驅(qū)動要求的模塊，可能需要額外的外部MOSFET，可能會使用I2T集成的MOSFET作為前級驅(qū)動。另外，一個要求更復(fù)雜的信號傳輸?shù)哪K可能需要一個微處理器。使用標準的8、16或32位處理器，結(jié)合基于標準數(shù)字組件和電力電子的智能電力或分離解決方案是
另一種選擇。

更高程度的集成和智能

另一方面，片上系統(tǒng)（SoC）解決方案提供了最大的可靠性、組裝簡便性、更低成本的材料和供應(yīng)的連續(xù)性。需要一種能夠支持嵌入式微處理器、高精度模擬的復(fù)雜數(shù)字電路和高壓功能的工藝。例如，BCD（BipolarCMOSDMOS）工藝允許用數(shù)字CMOS電路集成微控制器核、芯片內(nèi)存儲以及采用半橋或全橋高壓電機驅(qū)動器的獨立DMOS晶體管。BCD工藝的優(yōu)點，包括最大的DMOS晶體管的額定電壓，以及芯片內(nèi)存儲器和處理器內(nèi)核的容量。為了達到14V和將來42V的汽車電子供電標準，DMOS晶體管就應(yīng)該調(diào)整到80V。

一個例子是，AMI的BCD工藝采用了0.35mm技術(shù)的數(shù)字CMOS電路，能夠使用一系列內(nèi)核為32位的復(fù)雜處理器，例如ARM7TDMI。還有OTP存儲器，用于代碼存儲的64kByte嵌入式閃存和/或1kByte的數(shù)據(jù)EEPROM。芯片內(nèi)高精度模擬電路，包括光帶隙基準、ADC和DAC，以及包括LIN控制器在內(nèi)的數(shù)字IP，能夠簡化一級供應(yīng)商的開發(fā)過程。

多芯片模塊解決方案

另外，制造多芯片模塊、綜合使用智能功耗、數(shù)字和模擬技術(shù)，讓設(shè)計者獲得更多自由度，能夠創(chuàng)造出適用于復(fù)雜的多維解決方案的、擁有更大存儲容量更靈活的處理子系統(tǒng)。還可以使用更小的設(shè)計規(guī)則來制造CPU子系統(tǒng)，雖然需要更高的工藝成本，但更小的芯片尺寸也能減少實際成本。

然而作為機電一體化模塊的一部分，組裝一個多芯片解決方案不是一件簡單的事情。為了滿足汽車質(zhì)量和可靠性標準，需要采用嚴格控制的系統(tǒng)封裝（SiP）技術(shù)，它是QS9000認證的封裝。因此，系統(tǒng)集成商必須在多芯片方式更大的靈活性和可靠性風(fēng)險、更多的SiP開發(fā)和組裝之間取得平衡。

散熱對系統(tǒng)分割和封裝的影響

特定機電一體化解決方案的最佳配置，必須將電機產(chǎn)生的熱量、RDS（ON）產(chǎn)生的熱量以及電機驅(qū)動器功率MOSFET內(nèi)部的開關(guān)損失考慮在內(nèi)。

因此單芯片集成的使用，會使包括MCU和存儲在內(nèi)的數(shù)字電路超過制造商建議的最高工作溫度。一個潛在的解決方案是提高數(shù)字工藝的工作溫度。另一方面，使用更先進的封裝技術(shù)，通過對隔離的DMOS晶體管的散熱，消除熱量在SoC襯底中的積累，也可能會有效防止過高的溫度毀壞數(shù)字電路。在實際應(yīng)用中，兩種技術(shù)結(jié)合使用可能會更有效。

結(jié)語

對于想要提供獨一無二的使用價值的子系統(tǒng)開發(fā)商和希望加快進入市場速度、節(jié)約成本和增加新車型賣點的汽車制造商來說，機電一體化解決方案與汽車LIN總線基礎(chǔ)設(shè)施對接有很明顯的優(yōu)點。結(jié)果是，全球的汽車買家都能夠得到更大的可靠性、駕駛/使用更加便捷和更有樂趣的更多板上電子功能，以及更快的新車型更新速度。

為了采用機電一體化模塊的電子控制功能，有幾個技術(shù)解決方案可以使用。需要考慮的主要問題是性能要求、成本、靈活性、可靠性和散熱性能。首先，關(guān)鍵是要選擇一位精通這些適用技術(shù)的專家級合作伙伴，使用最合適的架構(gòu)來滿足整體的系統(tǒng)要求。