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2019/04/15

直流馬達的車身電子應用

作者:意法半導體,Miccoli Leonardo Agatino

摘要
車內系統的電子產品含量持續成長,原因是市場對自動化、安全性、能耗優化和高質量體驗的要求越來越高。在此背景之下,使用直流馬達的應用數量也不斷上揚。

本文將分析車用直流馬達的市場趨勢,並說明何以從診斷功能、交換時間的優化、減輕重量和(最重要的一點)提升可靠度各方面來看,固態驅動器(SSD)都是比較好的設計架構。

我們還會特別加以說明,為何在所有專為車用直流馬達控制所設計的全集成電路當中,新推出的VIPower™ M0-7 H橋系列能夠成為同等級最佳選擇。

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市場趨勢

預估車用直流馬達系統的需求將穩定成長,未來5年的年成長率約在3.1%左右。車身周邊的需求主要來於車門鎖、電動後照鏡、座椅調整、清潔劑幫浦、雨刷、車窗開關、天窗和電動滑門等傳統應用。但還有許多新崛起且十分吸引消費者的應用逐漸面市,部分實例包括抬頭顯示器(HUD)、隱藏式車門把手、電動尾門、電動車換檔切換器和電動車充電器鎖。

考慮以上狀況,估計2020年全球各地與車身相關的車用直流馬達需求將達到20億個。
下圖為各種應用所佔比例,所有應用耗電都在30W到200W之間。

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在車身應用上驅動直流馬達使用繼電器和內建晶片的比較

過去汽車產業一直將繼電器視為一種簡單又便宜的解決方案,用來驅動直流馬達。但這種想法正逐漸改變,現在汽車製造商認為SSD才是更適合新應用設計的選擇。 SSD因為具有高度可靠的質量且診斷功能更為強化,很容易就能建置各種創新功能,像是驅動各種可變負載配置文件(例如電動尾門)或控制動作的順暢度(例如車窗開關或座位調整)、消除繼電器開關噪音以及增加豪華感。

最重要的是,全世界的地方立法機構已開始針對汽車的污染物質和二氧化碳排放設定新的限制,汽車結構必須有所調整,尤其是動力負載的供應,皆必須採用效率更高的電子組件。雖然新標準的衝擊對象將以動力總成(power-train)系統為主,車身控制模組(Body Control Module,BCM)還是有一部分關聯性。

因此我們預測,2020-2025年間由SSD驅動的直流馬達每年平均成長6.7%,逐漸搶攻繼電器的市佔率。

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在此情況下,意法半導體的VIPower™ M0-7 H-橋系列產品將成為在汽車應用的馬達控制方面,同等級組件當中最佳選擇。 M0-7 H-橋系列將邏輯功能和動力結構整合至單一封裝,讓晶片內建智能功能因此除了從提供簡單驅動作用到還能防止故障,提供先進的診斷和保護功能、減少所需零件數量、提升可靠度並節省印刷電路板(PCB)面積。

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可靠度提升 進而延長10倍的使用壽命

繼電器觸點是一種可導電的金屬片,相互連接好讓電流通過。機械式開關觸點常見的問題包括會聽見噪音,還有終端顧客因為感受到機械震動而觀感不佳(尤其是轉換頻率驅動應用)。除此之外,繼電器切換時會造成電弧噪音,進而產生電磁干擾(EMI)。為了降低繼電器切換噪音,就需要電阻電容減震器(RC snubber)和續流二極管(flywheel Diode)等額外零件,但這些額外零件會對最後結構的複雜性帶來負面影響。切換時產生的機電應力 ,中長期的影響就是會降低接觸電阻和效能,讓繼電器無法使用或縮短壽命。繼電器效能的劣化則會降低可靠度。

固態切換器沒有活動零件,因為機械式觸點已被晶體管所取代:因此不會有電弧接觸、磁場或可聞噪音等問題。輸入控制兼容於大部份的IC邏輯系列產品,無須額外增加緩衝器、驅動器或放大器,可大幅降低印刷電路板的複雜性和面積。結果就是可靠度提升,交換時間最多可增加10倍。

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小型電源封裝有助於節省應用面積

汽車市場朝自動駕駛的方向演進,必須使用越來越多的傳感器以及致動器。只要考慮相同間隔裡必須裝進更多組件,就很容易可以了解為何所佔空間所帶來的限制越來越嚴苛。

通常會使用H橋配置這種拓撲來驅動雙向直流馬達:交替開啟橋式開關,就可能控制馬達方向或煞住馬達。雖然使用繼電器就能輕鬆建置H橋架構,但採用SSD能大幅減少電路板空間。

由於一般繼電器的印記面積約為250 mm2,至少需要500 mm2的電路板面積才能建置H橋架構。此外,為建置高電壓瞬態抑制、系統診斷和保護等功能也必須額外附加離散電路,例如緩衝器、運算放大器與傳感器。這些額外零件將大幅增加電路板最終尺寸與復雜度,而且會對應用的可靠度帶來負面影響。
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最後,電路板蓋板與外殼的設計還必須考慮繼電器的高度,因此一般來說得保持17 mm的垂直距離。

考慮到VIPower™ M0-7技術傑出的節省空間特質,意法半導體H-橋系列產品能將整個馬達驅動架構建置到先進的小型電源封裝裡:SO-16N和PowerSSO-36。分別可以減少60 mm2和106 mm2的印記面積,厚度低於2.5 mm,讓印刷電路板更小,系統也能降低重量。除此之外,VIPower™ M0-7 H橋提供無鉛封裝的環保產品組合,確保傑出的散熱效能。

切換時間和脈寬調變(PWM)控制

導引H橋架構時,必須特別留意避免電池線和接地之間出現不必要的短路,尤其是在切換階段;這種狀況通常定義為動態擊穿(shoot through)。每當擊穿事件發生,就會額外產生電池線的噪音和電力消耗,進而降低系統效率。如果H橋是由脈寬調變訊號之類的快速開關所驅動,這個現象就會變得更加嚴重。

脈寬調變輸入訊號常被用來控制H橋架構,只要改變工作週期,就能調節馬達速度和力矩以建置下列先進功能:
 
  • 防夾功能
  • 順暢的起步和停止動作,提升駕乘體驗
  • 失速狀況控制
  • 不受電池電壓影響進行馬達調速
  • 減少起步時的湧入電流

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一般直流馬達配置文件會有一個起步期,湧入電流是正常電流的10-12倍。所有電子零件都必須符合規格,才能承受這樣的高電流一段時間,而這也會持續影響最終應用的電線尺寸、印刷電路板面積和驅動器功能。

確實繼電器規格書只提供電阻性直流負載最大限度的觸點額定值,但此額定值會被高度電感或電容負載大幅降低。

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以脈寬調變訊號驅動直流馬達,就可能在有限的力矩下達到順暢的馬達起步。湧入電流也會減少,延長馬達啟動期。以脈寬調變訊號驅動直流馬達,就能優化電力的消耗,進而縮小電線尺寸,整體來說有利於減輕重量。

繼電器並不適合用在需要快速輸出切換的系統,切換時間會受機械尖端移動所限制,通常在5毫秒(ms)到最高15毫秒之間。除此之外,微控制器(MCU)必須建置適當的邏輯保護,以防止不必要的交互傳導事件。

VIPower™ M0-7 H橋系列產品保證提供快速切換時間(通常為1微秒),確保切換頻率最高可達20 KHz。切換配置文件經過特別設計,可優化電磁干擾和切換耗損。除此之外,這款晶片還嵌入特殊保護功能,可避免動態和靜態交互傳導問題。因此,VNH7系列是專為優化系統效能而設計。

VIPower™ M0-7系列H橋用於直流馬達控制

VIPower™ M0-7 H橋系列可視為驅動車用直流馬達的自然選項,能滿足市場對提升可靠度、系統效率及豪華感等優點的需求。由於採用混合模式,M0-7 H橋系列能將邏輯功能和動力結構整合到單一封裝,提供全面整合和受保護電路的完整產品組合。因為可以提供不同的開啟狀態(on-state)電阻(從8 mΩ到最高100 mΩ)且電源封裝體積小,該系列產品可確保彈性駕駛及控制功能,涵蓋各式各樣的負載狀態(從極低到最高200W)。

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雖然中低功率組件整合了所有的邏輯功能和完整的功率級(power stage),包括高側(high side)和低側(low side)功率金屬氧化物半導體(MOS),VNHD7008AY和VNHD7012AY等高功率組件則採用不同架構,包含高側功率MOS和低側閘驅動器。因此,要完成H橋架構就必須有外部的低側功率MOS(建議採用意法半導體STL76DN4LF7AG)。

20-kHz的脈寬調變速度控制加上診斷機制,讓上述產品最適合用於高階汽車應用。待命模式下耗電極低,最多3微安(μA),且轉換期間的切換配置文件也經過優化,儘管會增加電路板上電子零件數量,但可讓模組耗電維持低水平。

由於整合了先進的診斷(VCC電壓、外殼溫度和電流負載的偵測)與保護功能(過電壓、短路、高溫和交互傳導防護),可同時保護功率級和負載而不影響最終的效率系統,確保裝置永遠都能在安全操作區域內運轉。此外拜關閉狀態診斷功能之賜,待命狀態期間可監測馬達狀態,避免開啟時可能產生的損害。

在車身控制模組裡結合VIPower™ M0-7的智能功率切換功能以及H橋驅動器,就能節省電力消耗、印刷電路板面積和佈線需求。實際成果將是系統可靠度增加,且預估每部車最多可減輕50公斤的重量,而這對污染來說都將呈正面影響,包括內燃機(ICE)車輛的二氧化碳排放減少(估計最高3.5g /km)、電池優化,純電動車(BEV)的自動駕駛程度也能獲得提升。
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