作者：意法半導(dǎo)體Miccoli Leonardo Agatino
摘要
車內(nèi)系統(tǒng)的電子產(chǎn)品含量持續(xù)成長(zhǎng)，原因是市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化、安全性、能耗優(yōu)化和高質(zhì)量體驗(yàn)的要求越來(lái)越高。在此背景之下，使用直流馬達(dá)的應(yīng)用數(shù)量也不斷上揚(yáng)。
本文將分析車用直流馬達(dá)的市場(chǎng)趨勢(shì)，并說(shuō)明何以從診斷功能、交換時(shí)間的優(yōu)化、減輕重量和（最重要的一點(diǎn)）提升可靠度各方面來(lái)看，固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）都是比較好的設(shè)計(jì)架構(gòu)。
我們還會(huì)特別加以說(shuō)明，為何在所有專為車用直流馬達(dá)控制所設(shè)計(jì)的全集成電路當(dāng)中，新推出的VIPower™ M0-7 H橋系列能夠成為同等級(jí)最佳選擇。
市場(chǎng)趨勢(shì)
預(yù)估車用直流馬達(dá)系統(tǒng)的需求將穩(wěn)定成長(zhǎng)，未來(lái)5年的年成長(zhǎng)率約在3.1%左右。車身周邊的需求主要來(lái)于自車門(mén)鎖、電動(dòng)后照鏡、座椅調(diào)整、清潔劑幫浦、雨刷、車窗開(kāi)關(guān)、天窗和電動(dòng)滑門(mén)等傳統(tǒng)應(yīng)用。但還有許多新崛起且十分吸引消費(fèi)者的應(yīng)用逐漸面市，部分實(shí)例包括抬頭顯示器(HUD)、隱藏式車門(mén)把手、電動(dòng)尾門(mén)、電動(dòng)車換檔切換器和電動(dòng)車充電器鎖。
考慮以上狀況，估計(jì)2020年全球各地與車身相關(guān)的車用直流馬達(dá)需求將達(dá)到20億個(gè)。
下圖為各種應(yīng)用所占比例，所有應(yīng)用耗電都在30W到200W之間。
在車身應(yīng)用上驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)使用繼電器和內(nèi)建芯片的比較
過(guò)去汽車產(chǎn)業(yè)一直將繼電器視為一種簡(jiǎn)單又便宜的解決方案，用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)。但這種想法正逐漸改變，現(xiàn)在汽車制造商認(rèn)為SSD才是更適合新應(yīng)用設(shè)計(jì)的選擇。SSD因?yàn)榫哂懈叨瓤煽康馁|(zhì)量且診斷功能更為強(qiáng)化，很容易就能建置各種創(chuàng)新功能，像是驅(qū)動(dòng)各種可變負(fù)載配置文件（例如電動(dòng)尾門(mén)）或控制動(dòng)作的順暢度（例如車窗開(kāi)關(guān)或座位調(diào)整）、消除繼電器開(kāi)關(guān)噪音以及增加豪華感。
最重要的是，全世界的地方立法機(jī)構(gòu)已開(kāi)始針對(duì)汽車的污染物質(zhì)和二氧化碳排放設(shè)定新的限制，汽車結(jié)構(gòu)必須有所調(diào)整，尤其是動(dòng)力負(fù)載的供應(yīng)，皆必須采用效率更高的電子組件。雖然新標(biāo)準(zhǔn)的沖擊對(duì)象將以動(dòng)力總成（power-train）系統(tǒng)為主，車身控制模塊（Body Control Module，BCM）還是有一部分關(guān)聯(lián)性。
因此我們預(yù)測(cè)，2020-2025年間由SSD驅(qū)動(dòng)的直流馬達(dá)每年平均成長(zhǎng)6.7%，逐漸搶攻繼電器的市占率。
在此情況下，意法半導(dǎo)體的VIPowerTM M0-7 H-橋系列產(chǎn)品將成為在汽車應(yīng)用的馬達(dá)控制方面，同等級(jí)組件當(dāng)中最佳選擇。M0-7 H-橋系列將邏輯功能和動(dòng)力結(jié)構(gòu)整合至單一封裝，讓芯片內(nèi)建智能功能因此除了從提供簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)作用到還能防止故障，提供先進(jìn)的診斷和保護(hù)功能、減少所需零件數(shù)量、提升可靠度并節(jié)省印刷電路板（PCB）面積。
可靠度提升 進(jìn)而延長(zhǎng)10倍的使用壽命
繼電器觸點(diǎn)是一種可導(dǎo)電的金屬片，相互連接好讓電流通過(guò)。機(jī)械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)常見(jiàn)的問(wèn)題包括會(huì)聽(tīng)見(jiàn)噪音，還有終端顧客因?yàn)楦惺艿綑C(jī)械震動(dòng)而觀感不佳（尤其是轉(zhuǎn)換頻率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用）。除此之外，繼電器切換時(shí)會(huì)造成電弧噪音，進(jìn)而產(chǎn)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(xù)流二極管（flywheel Diode）等額外零件，但這些額外零件會(huì)對(duì)最后結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來(lái)負(fù)面影響。切換時(shí)產(chǎn)生的機(jī)電應(yīng)力，中長(zhǎng)期的影響就是會(huì)降低接觸電阻和效能，讓繼電器無(wú)法使用或縮短壽命。繼電器效能的劣化則會(huì)降低可靠度。
固態(tài)切換器沒(méi)有活動(dòng)零件，因?yàn)闄C(jī)械式觸點(diǎn)已被晶體管所取代：因此不會(huì)有電弧接觸、磁場(chǎng)或可聞噪音等問(wèn)題。輸入控制兼容于大部份的IC邏輯系列產(chǎn)品，無(wú)須額外增加緩沖器、驅(qū)動(dòng)器或放大器，可大幅降低印刷電路板的復(fù)雜性和面積。結(jié)果就是可靠度提升，交換時(shí)間最多可增加10倍。
小型電源封裝有助于節(jié)省應(yīng)用面積
汽車市場(chǎng)朝自動(dòng)駕駛的方向演進(jìn)，必須使用越來(lái)越多的傳感器以及致動(dòng)器。只要考慮相同間隔里必須裝進(jìn)更多組件，就很容易可以了解為何所占空間所帶來(lái)的限制越來(lái)越嚴(yán)苛。
通常會(huì)使用H橋配置這種拓?fù)鋪?lái)驅(qū)動(dòng)雙向直流馬達(dá)：交替開(kāi)啟橋式開(kāi)關(guān)，就可能控制馬達(dá)方向或煞住馬達(dá)。雖然使用繼電器就能輕松建置H橋架構(gòu)，但采用SSD能大幅減少電路板空間。
由于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(gòu)。此外，為建置高電壓瞬態(tài)抑制、系統(tǒng)診斷和保護(hù)等功能也必須額外附加離散電路，例如緩沖器、運(yùn)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(fù)雜度，而且會(huì)對(duì)應(yīng)用的可靠度帶來(lái)負(fù)面影響。
最后，電路板蓋板與外殼的設(shè)計(jì)還必須考慮繼電器的高度，因此一般來(lái)說(shuō)得保持17 mm的垂直距離。
考慮到VIPowerTM M0-7技術(shù)杰出的節(jié)省空間特質(zhì)，意法半導(dǎo)體H-橋系列產(chǎn)品能將整個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)建置到先進(jìn)的小型電源封裝里：SO-16N和PowerSSO-36。分別可以減少60 mm2和106 mm2的印記面積，厚度低于2.5 mm，讓印刷電路板更小，系統(tǒng)也能降低重量。除此之外，VIPower™ M0-7 H橋提供無(wú)鉛封裝的環(huán)保產(chǎn)品組合，確保杰出的散熱效能。
切換時(shí)間和脈寬調(diào)變（PWM）控制
導(dǎo)引H橋架構(gòu)時(shí)，必須特別留意避免電池線和接地之間出現(xiàn)不必要的短路，尤其是在切換階段；這種狀況通常定義為動(dòng)態(tài)擊穿（shoot through）。每當(dāng)擊穿事件發(fā)生，就會(huì)額外產(chǎn)生電池線的噪音和電力消耗，進(jìn)而降低系統(tǒng)效率。如果H橋是由脈寬調(diào)變訊號(hào)之類的快速開(kāi)關(guān)所驅(qū)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象就會(huì)變得更加嚴(yán)重。
脈寬調(diào)變輸入訊號(hào)常被用來(lái)控制H橋架構(gòu)，只要改變工作周期，就能調(diào)節(jié)馬達(dá)速度和力矩以建置下列先進(jìn)功能：
- 防夾功能；
- 順暢的起步和停止動(dòng)作，提升駕乘體驗(yàn)；
- 失速狀況控制；
- 不受電池電壓影響進(jìn)行馬達(dá)調(diào)速；
- 減少起步時(shí)的涌入電流
一般直流馬達(dá)配置文件會(huì)有一個(gè)起步期，涌入電流是正常電流的10-12倍。所有電子零件都必須符合規(guī)格，才能承受這樣的高電流一段時(shí)間，而這也會(huì)持續(xù)影響最終應(yīng)用的電線尺寸、印刷電路板面積和驅(qū)動(dòng)器功能。
確實(shí)繼電器規(guī)格書(shū)只提供電阻性直流負(fù)載最大限度的觸點(diǎn)額定值，但此額定值會(huì)被高度電感或電容負(fù)載大幅降低。
以脈寬調(diào)變訊號(hào)驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)，就可能在有限的力矩下達(dá)到順暢的馬達(dá)起步。涌入電流也會(huì)減少，延長(zhǎng)馬達(dá)啟動(dòng)期。以脈寬調(diào)變訊號(hào)驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)，就能優(yōu)化電力的消耗，進(jìn)而縮小電線尺寸，整體來(lái)說(shuō)有利于減輕重量。
繼電器并不適合用在需要快速輸出切換的系統(tǒng)，切換時(shí)間會(huì)受機(jī)械尖端移動(dòng)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(dāng)?shù)倪壿嫳Ｗo(hù)，以防止不必要的交互傳導(dǎo)事件。
VIPowerTM M0-7 H橋系列產(chǎn)品保證提供快速切換時(shí)間（通常為1微秒），確保切換頻率最高可達(dá)20 KHz。切換配置文件經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，可優(yōu)化電磁干擾和切換耗損。除此之外，這款芯片還嵌入特殊保護(hù)功能，可避免動(dòng)態(tài)和靜態(tài)交互傳導(dǎo)問(wèn)題。因此，VNH7系列是專為優(yōu)化系統(tǒng)效能而設(shè)計(jì)。
VIPowerTM M0-7系列H橋用于直流馬達(dá)控制
VIPower™ M0-7 H橋系列可視為驅(qū)動(dòng)車用直流馬達(dá)的自然選項(xiàng)，能滿足市場(chǎng)對(duì)提升可靠度、系統(tǒng)效率及豪華感等優(yōu)點(diǎn)的需求。由于采用混合模式，M0-7 H橋系列能將邏輯功能和動(dòng)力結(jié)構(gòu)整合到單一封裝，提供全面整合和受保護(hù)電路的完整產(chǎn)品組合。因?yàn)榭梢蕴峁┎煌拈_(kāi)啟狀態(tài)（on-state）電阻（從8 mΩ到最高100 mΩ）且電源封裝體積小，該系列產(chǎn)品可確保彈性駕駛及控制功能，涵蓋各式各樣的負(fù)載狀態(tài)（從極低到最高200W）。
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(jí)（power stage），包括高側(cè)（high side）和低側(cè)（low side）功率金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS），VNHD7008AY和VNHD7012AY等高功率組件則采用不同架構(gòu)，包含高側(cè)功率MOS和低側(cè)閘驅(qū)動(dòng)器。因此，要完成H橋架構(gòu)就必須有外部的低側(cè)功率MOS（建議采用意法半導(dǎo)體STL76DN4LF7AG）。
20-kHz的脈寬調(diào)變速度控制加上診斷機(jī)制，讓上述產(chǎn)品最適合用于高階汽車應(yīng)用。待命模式下耗電極低，最多3微安（μA），且轉(zhuǎn)換期間的切換配置文件也經(jīng)過(guò)優(yōu)化，盡管會(huì)增加電路板上電子零件數(shù)量，但可讓模塊耗電維持低水平。
由于整合了先進(jìn)的診斷（VCC電壓、外殼溫度和電流負(fù)載的偵測(cè)）與保護(hù)功能（過(guò)電壓、短路、高溫和交互傳導(dǎo)防護(hù)），可同時(shí)保護(hù)功率級(jí)和負(fù)載而不影響最終的效率系統(tǒng)，確保裝置永遠(yuǎn)都能在安全操作區(qū)域內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外拜關(guān)閉狀態(tài)診斷功能之賜，待命狀態(tài)期間可監(jiān)測(cè)馬達(dá)狀態(tài)，避免開(kāi)啟時(shí)可能產(chǎn)生的損害。
在車身控制模塊里結(jié)合VIPower™ M0-7的智能功率切換功能以及H橋驅(qū)動(dòng)器，就能節(jié)省電力消耗、印刷電路板面積和布線需求。實(shí)際成果將是系統(tǒng)可靠度增加，且預(yù)估每部車最多可減輕50公斤的重量，而這對(duì)污染來(lái)說(shuō)都將呈正面影響，包括內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛的二氧化碳排放減少（估計(jì)最高3.5g/km）、電池優(yōu)化，純電動(dòng)車（BEV）的自動(dòng)駕駛程度也能獲得提升。
