為何還在使用繼電器驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)

作者：Phil Beard

隨著汽車電氣系統(tǒng)中更小更智能的集成電路（IC）的出現(xiàn)，是時(shí)候開始正視房間里的“大象”了：為什么我們?nèi)匀皇褂美^電器控制汽車天窗、窗玻璃升降裝置、電動(dòng)鎖、后行李箱蓋提升裝置、記憶座椅、壓縮機(jī)以及車上的各種泵？雖然，繼電器價(jià)格親民且易于設(shè)計(jì)，但是由于它們的使用壽命有限且體積較大，因此它們的功能對于現(xiàn)代電機(jī)應(yīng)用來說稍顯笨重。對于一個(gè)安靜、小型而安全的解決方案而言，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

讓我們比較兩種解決方案，如圖1所示的是具有相同的電壓和電流額定值的典型繼電器解決方案及等效固態(tài)解決方案。

圖1：繼電器解決方案與固態(tài)解決方案

僅針對解決方案尺寸，固態(tài)8mm×8mm四方扁平無引線（QFN）和兩個(gè)雙封裝N通道金屬氧化物半導(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。再看z軸，整個(gè)固態(tài)解決方案約0.9毫米，或0.035英寸高。如果要構(gòu)建剛好適合安裝在電機(jī)外殼背面的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器印刷電路板（PCB），TI的固態(tài)解決方案則非常適合此應(yīng)用。

除了尺寸外，固態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)器還集成了一整套保護(hù)功能，否則必須在繼電器解決方案中離散構(gòu)建。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)都需要一個(gè)分流電阻。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兩端測量的電壓。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(shí)關(guān)閉電機(jī)或限制電流。但是固態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常集成了低側(cè)分流放大器，因此您需要的唯一的分立元件是單個(gè)電流檢測電阻。圖2所示為集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC和分立電流測量電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的差異。

圖2：離散與固態(tài)電流測量

TI的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使電流調(diào)節(jié)更進(jìn)一步，并使用連接到集成電流檢測放大器輸出的內(nèi)部比較器來整合逐周期電流斬波方法。所需要的是一個(gè)外部參考電壓，器件將處理電流限制，釋放原來用于MCU或離散建立的資源。雖然放大器的輸出仍然與封裝管腳相關(guān)，但如果您只需要一定程度的電流調(diào)節(jié)，請考慮一個(gè)完全集成的解決方案，如DRV8702-Q1或DRV8703-Q1。

連接到MCU

當(dāng)將繼電器和固態(tài)解決方案連接到MCU時(shí)，固態(tài)IC通?？梢詫?shí)現(xiàn)MCU通用輸入輸出口（GPIO）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）管腳之間的直連。這些IC通常具有足夠的靈活性，可與1.8、3.3或5V邏輯電平連接，其帶有參照接地的高阻抗下拉電阻。為了使繼電器解決方案實(shí)現(xiàn)類似的輸入控制，某種電流增益需要控制繼電器內(nèi)部的螺線管線圈。圖3所示為將繼電器和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器與MCU連接時(shí)，在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的差異。

圖3：連接至MCU

圖3中的繼電器解決方案概述了需要NPN型雙極型結(jié)晶體（BJT）的達(dá)林頓對、兩個(gè)電阻和一個(gè)保護(hù)二極管，以將繼電器線圈直接與一個(gè)MCU GPIO管腳連接。為了創(chuàng)建H橋并驅(qū)動(dòng)雙向電機(jī)，將需要兩個(gè)雙封裝單刀雙擲[SPDT]繼電器，這意味著需要上述中兩倍的電路元件來獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繼電器線圈。使用TI的一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以移除所有這些分立元件，從而創(chuàng)建一個(gè)更小、更清潔的PCB解決方案。

電機(jī)速度曲線

帶繼電器的電機(jī)速度曲線效率極低。設(shè)計(jì)人員使用與電機(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)，可為電動(dòng)窗、升降門、天窗、滑動(dòng)門或帶繼電器的泵實(shí)現(xiàn)多速度控制方案。如果您想選擇不同的速度，這兩種解決方案都需要使用更多的繼電器，而這意味著將會(huì)增加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(dòng)器提供來自MCU的兩個(gè)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PH/EN模式，其中只有一個(gè)PWM信號施加到使能管腳，而簡單的邏輯高或低相位管腳控制電機(jī)的方向。邏輯電平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)高側(cè)或低側(cè)MOSFET。使用此類型的接口，您可以快速設(shè)計(jì)多級泵、滑動(dòng)玻璃天窗的定制運(yùn)動(dòng)軌跡、軟關(guān)閉電動(dòng)窗、經(jīng)濟(jì)的變速擋風(fēng)玻璃刮水器或任何其他類型的簡易運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)應(yīng)用。

相關(guān)參考設(shè)計(jì)

小尺寸天窗電機(jī)模塊參考設(shè)計(jì)是一款用于天窗和窗玻璃升降裝置應(yīng)用的固態(tài)電機(jī)控制模塊。該TI參考設(shè)計(jì)使用集成了分流放大器以及兩個(gè)雙封裝汽車級封裝MOSFET的 DRV8703-Q1柵極驅(qū)動(dòng)器，以創(chuàng)建與典型的繼電器解決方案相比，極小的功率級布局。該設(shè)計(jì)還包括兩個(gè)TI的DRV5013-Q1數(shù)字鎖存霍爾效應(yīng)傳感器，用于對電機(jī)位置進(jìn)行編碼。

使用TI的一款固態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)將有助于減小PCB解決方案的尺寸，從而允許從同一模塊控制越來越多的電機(jī)。憑借TI的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的高集成和簡易控制方案，設(shè)計(jì)人員可快速、輕松地重新設(shè)計(jì)當(dāng)前正在使用繼電器的大多數(shù)現(xiàn)代帶刷直流電機(jī)控制器電路。

其他信息：

• 有關(guān)更多固態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)，請參閱TI參考設(shè)計(jì)庫中的相關(guān)參考設(shè)計(jì)：

• 汽車12V 200W（20A）BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)。
• 汽車2軸電動(dòng)座椅帶刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)。
• 汽車HVAC多風(fēng)門執(zhí)行器/阻尼器直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)。
• 有關(guān)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)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。
• 閱讀更多有關(guān)汽車HVAC風(fēng)門執(zhí)行器的博文。