汽车电机发展趋势如何?机械电机会被取代?

汽车电机发展趋势如何?机械电机会被取代?,第1张

针对许多不同汽车应用纷纷实现智能电机控制的趋势,英飞凌科技发布了具有很高集成度的Embedded Power家族桥式驱动器。新的Embedded Power器件在一颗芯片上集成了基于ARM Cortex-M3处理器的高性能单片机,以及非易失性存储器、模拟和混合信号外设、通信接口MOSFET栅极驱动器等。Embedded Power IC经专门设计,有助于为各式各样要求小型(SFF)封装和最少数量外接元件的电机控制应用,实现机电一体化电机控制解决方案。((图1))

汽车电机发展趋势

现代汽车中集成的电子控制电机数量与日俱增。2012年,商业情报和软件分析企业IHS公司的市场分析师计算,汽车中使用的电子控制电机数量已达到23亿台。他们预计,到2017年,这个数字将增至29亿,相当于平均复合年增长率(CAGR)达到5.7%。也就是说,平均每辆汽车中有大约30台电子控制电机。目前,其中约68%的电机是直流有刷电机,15%是直流无刷电机,且直流无刷电机的数量将大幅增长。

电子控制电机取代机械电机

汽车中的电动电机数量快速增长,是因为电子控制电机正逐步取代传统的机械电机,以实现有助于提高能效、降低二氧化碳排放的创新汽车架构。在混合动力汽车和电动汽车中实现起停功能,便是一个典型例子。这些架构主要基于分布式、机电一体化电机控制解决方案。汽车制造商和设备制造商需要稳定而又灵活的智能电机驱动IC,以便其优化最终产品的尺寸和性能。不久前英飞凌发布的Embedded Power IC是完备的片上系统(SoC)解决方案,可助力实现外形小巧、经济划算的机电一体化电机控制设计。

在适应小型分布式负载的过程中,以能效为驱动的汽车发展趋势逐渐清晰。譬如,HVAC鼓风机、发动机散热风扇、水泵和油泵、电动车窗、前后雨刮器等等,不胜枚举。“分布式电机智能控制”可实现创新汽车设计,带来诸多优点,如,最大限度地减少布线、减轻重量、减少占用空间、开销更低且选项更简单的平台解决方案、分布式计算能力、更出色的诊断性能、均衡的功率耗散、更杰出的EMC性能、旨在优化性价比的专用功能,以及标准化低成本物理层和协议处理程序等。要实现“分布式电机智能控制”,创新IC驱动器概念是关键。 ((图2))

英飞凌全新电机控制IC是外形小巧、一应俱全的芯片解决方案,它包含了用于感测、控制和启动诸如高端天窗、电动车窗、泵(燃油、机油和水)、HVAC鼓风机、风扇等等设备常用的电动电机所需的全部必要功能,同时降低了系统成本。

符合汽车行业质量要求的前沿技术

英飞凌新推出的高集成度Embedded Power家族,结合了其符合汽车行业质量要求的专有130nm Smart Power生产工艺,与其在电机控制驱动器领域的广博经验。得益于块状硅基130nm双极型CMOS-DMOS(BCD)工艺,它在一颗芯片上高效集成了逻辑电路模拟电路、存储器和功率级电路。相比于过去那种需要独立式单片机、桥式驱动器和LIN(局域互联网络)收发器的多芯片设计,现在,具备最少外接元件数量的电机控制设计,将令汽车系统供应商获益匪浅。最新发布的Embedded Power产品将元件数量从当前的约150多颗,减少到了不足30颗,从而允许在仅3平方厘米的电路板空间内,集成实现电机控制所需的全部功能和有关外接元件。所以,它们有助于集成与电机关系密切的电子元件,实现真正的机电一体化设计。((图3))

智能电机控制应用要求各式各样的、以能效、系统成本和舒适性需求等为驱动的尖端电机控制机制。从基于传感器的块交换,到高端无传感器磁场定向控制(FOC),必须支持不同电机控制算法。新近取得质量认证的汽车用Embedded Power家族设计,通过采用ARM Cortex M3处理器,解决了智能电机控制面临的这些挑战。这些新器件拥有32位处理器性能,而占板空间仅与16位处理器相当。通过促进将强大的单片机和MOSFET栅极驱动器,与所有必要的感测、控制和启动等功能相结合的片上系统方法,可灵活扩展的Embedded Power家族能帮助汽车系统供应商降低系统成本、提高可靠性、降低系统级复杂度。((图4))

TLE987x和TLE986x桥式驱动器的关键特性

新的Embedded Power IC的其他特性包括:4K模拟EEPROM、用于诊断功能的8位ADC、SPIUART、用于为三相电机控制生成PWM信号的定时器 、片上晶振和PLL等。所有器件均具备高级保护和诊断功能,如可调漏-源监测。

PG-VQFN封装的尺寸仅为7毫米x7毫米,这节省了电路板空间,缩小了电机尺寸,减轻了电机重量。此外,单裸晶解决方案增强了模块可靠性。

专为三相和两相电机控制而优化

TLE987x系列桥式驱动器适用于三相(BLDC)电机设备,如燃油泵、HVAC鼓风机、发动机散热风扇、水泵、高能效泵和风扇,以及由LIN *** 纵或通过PWM控制的无传感器和基于传感器的(包括磁场定向控制)BLDC电机设备。TLE987x系列包含6颗全面集成的NFET驱动器,它们经专门优化,可通过6颗外接功率NFET来驱动三相电机

TLE986x系列专为驱动两相直流电机而优化,它集成了4颗NFET驱动器。通过NFET半桥,TLE986x系列可满足诸如天窗、电动车窗和普通智能电机控制等应用的需求。

这两个系列产品均提供了可灵活扩展的闪存容量和MCU系统时钟频率,可支持各式各样的电机控制算法。TLE987x和TLE986x使用了相同的MCU和外设,可在DC和BLDC电机控制应用之间实现设计协力效应。全新Embedded Power IC系列的所有器件均实现了引脚兼容和软件兼容。有了这个新的可灵活扩展的Embedded Power家族,从低端继电器电机控制,到高端MOSFET电机控制,可以高效而又经济划算地生产出各种电机控制设备。

二次设计支持

英飞凌和第三方厂商为基于ARM Cortex -M3的Embedded Power家族桥式驱动器提供了全套开发工具支持。包括编译器、调试器评估板、LIN底层驱动配置工具,以及电机控制的软件代码范例。

TLE987x(三相)和TLE976x(两相)两个产品系列均提供入门工具包。包括软件工具和硬件接口:NFET电机驱动器、额外的外接LIN收发器、RS232接口、调试LED、J-link Lite调试器,等等,允许工程师立即着手利用新的Embedded Power IC,进行设计。

结语

这个面向电机控制的新的符合汽车行业质量要求的SoC解决方案,在一颗芯片上集成了ARM Cortex M3 MCU、可灵活扩展的闪存、模拟和混合信号外设、通信接口和NFET栅极驱动器。这些高度集成的解决方案是适用于DC和BLDC应用的通用平台,可支持各种类型的电机和电机控制技术,能帮助汽车系统供应商削减研发成本。这些仅拇指盖大小的SoC解决方案顺应了当前朝智能DC和BLDC电机控制转变的趋势,可满足汽车机电一体化市场与日俱增的需求。

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