汽車電機發(fā)展趨勢如何？機械電機會被取代？

針對許多不同汽車應用紛紛實現(xiàn)智能電機控制的趨勢，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，以及非易失性存儲器、模擬和混合信號外設(shè)、通信接口和MOSFET柵極驅(qū)動器等。Embedded Power IC經(jīng)專門設(shè)計，有助于為各式各樣要求小型（SFF）封裝和最少數(shù)量外接元件的電機控制應用，實現(xiàn)機電一體化電機控制解決方案。((圖1))

汽車電機發(fā)展趨勢

現(xiàn)代汽車中集成的電子控制電機數(shù)量與日俱增。2012年，商業(yè)情報和軟件分析企業(yè)IHS公司的市場分析師計算，汽車中使用的電子控制電機數(shù)量已達到23億臺。他們預計，到2017年，這個數(shù)字將增至29億，相當于平均復合年增長率（CAGR）達到5.7%。也就是說，平均每輛汽車中有大約30臺電子控制電機。目前，其中約68%的電機是直流有刷電機，15%是直流無刷電機，且直流無刷電機的數(shù)量將大幅增長。

電子控制電機取代機械電機

汽車中的電動電機數(shù)量快速增長，是因為電子控制電機正逐步取代傳統(tǒng)的機械電機，以實現(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)。在混合動力汽車和電動汽車中實現(xiàn)起停功能，便是一個典型例子。這些架構(gòu)主要基于分布式、機電一體化電機控制解決方案。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驅(qū)動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，可助力實現(xiàn)外形小巧、經(jīng)濟劃算的機電一體化電機控制設(shè)計。

在適應小型分布式負載的過程中，以能效為驅(qū)動的汽車發(fā)展趨勢逐漸清晰。譬如，HVAC鼓風機、發(fā)動機散熱風扇、水泵和油泵、電動車窗、前后雨刮器等等，不勝枚舉。“分布式電機智能控制”可實現(xiàn)創(chuàng)新汽車設(shè)計，帶來諸多優(yōu)點，如，最大限度地減少布線、減輕重量、減少占用空間、開銷更低且選項更簡單的平臺解決方案、分布式計算能力、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)化性價比的專用功能，以及標準化低成本物理層和協(xié)議處理程序等。要實現(xiàn)“分布式電機智能控制”，創(chuàng)新IC驅(qū)動器概念是關(guān)鍵。 ((圖2))

英飛凌全新電機控制IC是外形小巧、一應俱全的芯片解決方案，它包含了用于感測、控制和啟動諸如高端天窗、電動車窗、泵（燃油、機油和水）、HVAC鼓風機、風扇等等設(shè)備常用的電動電機所需的全部必要功能，同時降低了系統(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，與其在電機控制驅(qū)動器領(lǐng)域的廣博經(jīng)驗。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、存儲器和功率級電路。相比于過去那種需要獨立式單片機、橋式驅(qū)動器和LIN（局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）收發(fā)器的多芯片設(shè)計，現(xiàn)在，具備最少外接元件數(shù)量的電機控制設(shè)計，將令汽車系統(tǒng)供應商獲益匪淺。最新發(fā)布的Embedded Power產(chǎn)品將元件數(shù)量從當前的約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)，集成實現(xiàn)電機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關(guān)系密切的電子元件，實現(xiàn)真正的機電一體化設(shè)計。((圖3))

智能電機控制應用要求各式各樣的、以能效、系統(tǒng)成本和舒適性需求等為驅(qū)動的尖端電機控制機制。從基于傳感器的塊交換，到高端無傳感器磁場定向控制（FOC），必須支持不同電機控制算法。新近取得質(zhì)量認證的汽車用Embedded Power家族設(shè)計，通過采用ARM Cortex M3處理器，解決了智能電機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。通過促進將強大的單片機和MOSFET柵極驅(qū)動器，與所有必要的感測、控制和啟動等功能相結(jié)合的片上系統(tǒng)方法，可靈活擴展的Embedded Power家族能幫助汽車系統(tǒng)供應商降低系統(tǒng)成本、提高可靠性、降低系統(tǒng)級復雜度。((圖4))

TLE987x和TLE986x橋式驅(qū)動器的關(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位定時器。此外，集成了一個業(yè)經(jīng)認證的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，進行快速編程。這兩個系列產(chǎn)品均具備片上線性穩(wěn)壓器，可為外接負載供電。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。集成式電荷泵可實現(xiàn)低壓運行和可編程電流，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的負載突降，同時維持低至3.0V的擴展電源電壓范圍，在此條件下，單片機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、用于為三相電機控制生成PWM信號的定時器 、片上晶振和PLL等。所有器件均具備高級保護和診斷功能，如可調(diào)漏-源監(jiān)測。

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，縮小了電機尺寸，減輕了電機重量。此外，單裸晶解決方案增強了模塊可靠性。

專為三相和兩相電機控制而優(yōu)化

TLE987x系列橋式驅(qū)動器適用于三相（BLDC）電機設(shè)備，如燃油泵、HVAC鼓風機、發(fā)動機散熱風扇、水泵、高能效泵和風扇，以及由LIN操縱或通過PWM控制的無傳感器和基于傳感器的（包括磁場定向控制）BLDC電機設(shè)備。TLE987x系列包含6顆全面集成的NFET驅(qū)動器，它們經(jīng)專門優(yōu)化，可通過6顆外接功率NFET來驅(qū)動三相電機。

TLE986x系列專為驅(qū)動兩相直流電機而優(yōu)化，它集成了4顆NFET驅(qū)動器。通過NFET半橋，TLE986x系列可滿足諸如天窗、電動車窗和普通智能電機控制等應用的需求。

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

二次設(shè)計支持

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

TLE987x（三相）和TLE976x（兩相）兩個產(chǎn)品系列均提供入門工具包。包括軟件工具和硬件接口：NFET電機驅(qū)動器、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，進行設(shè)計。

結(jié)語

這個面向電機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、可靈活擴展的閃存、模擬和混合信號外設(shè)、通信接口和NFET柵極驅(qū)動器。這些高度集成的解決方案是適用于DC和BLDC應用的通用平臺，可支持各種類型的電機和電機控制技術(shù)，能幫助汽車系統(tǒng)供應商削減研發(fā)成本。這些僅拇指蓋大小的SoC解決方案順應了當前朝智能DC和BLDC電機控制轉(zhuǎn)變的趨勢，可滿足汽車機電一體化市場與日俱增的需求。