作者：意法半導體Miccoli Leonardo Agatino
摘要
車(chē)內系統的電子產(chǎn)品含量持續成長(cháng)，原因是市場(chǎng)對自動(dòng)化、安全性、能耗優(yōu)化和高質(zhì)量體驗的要求越來(lái)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(chē)用直流馬達的市場(chǎng)趨勢，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)驅動(dòng)器（SSD）都是比較好的設計架構。
我們還會(huì )特別加以說(shuō)明，為何在所有專(zhuān)為車(chē)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。
市場(chǎng)趨勢
預估車(chē)用直流馬達系統的需求將穩定成長(cháng)，未來(lái)5年的年成長(cháng)率約在3.1%左右。車(chē)身周邊的需求主要來(lái)于自車(chē)門(mén)鎖、電動(dòng)后照鏡、座椅調整、清潔劑幫浦、雨刷、車(chē)窗開(kāi)關(guān)、天窗和電動(dòng)滑門(mén)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(shí)例包括抬頭顯示器(HUD)、隱藏式車(chē)門(mén)把手、電動(dòng)尾門(mén)、電動(dòng)車(chē)換檔切換器和電動(dòng)車(chē)充電器鎖。
考慮以上狀況，估計2020年全球各地與車(chē)身相關(guān)的車(chē)用直流馬達需求將達到20億個(gè)。
下圖為各種應用所占比例，所有應用耗電都在30W到200W之間。
在車(chē)身應用上驅動(dòng)直流馬達使用繼電器和內建芯片的比較
過(guò)去汽車(chē)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)驅動(dòng)直流馬達。但這種想法正逐漸改變，現在汽車(chē)制造商認為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(zhì)量且診斷功能更為強化，很容易就能建置各種創(chuàng )新功能，像是驅動(dòng)各種可變負載配置文件（例如電動(dòng)尾門(mén)）或控制動(dòng)作的順暢度（例如車(chē)窗開(kāi)關(guān)或座位調整）、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構已開(kāi)始針對汽車(chē)的污染物質(zhì)和二氧化碳排放設定新的限制，汽車(chē)結構必須有所調整，尤其是動(dòng)力負載的供應，皆必須采用效率更高的電子組件。雖然新標準的沖擊對象將以動(dòng)力總成（power-train）系統為主，車(chē)身控制模塊（Body Control Module，BCM）還是有一部分關(guān)聯(lián)性。
因此我們預測，2020-2025年間由SSD驅動(dòng)的直流馬達每年平均成長(cháng)6.7%，逐漸搶攻繼電器的市占率。
在此情況下，意法半導體的VIPowerTM M0-7 H-橋系列產(chǎn)品將成為在汽車(chē)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(dòng)力結構整合至單一封裝，讓芯片內建智能功能因此除了從提供簡(jiǎn)單驅動(dòng)作用到還能防止故障，提供先進(jìn)的診斷和保護功能、減少所需零件數量、提升可靠度并節省印刷電路板（PCB）面積。
可靠度提升 進(jìn)而延長(cháng)10倍的使用壽命
繼電器觸點(diǎn)是一種可導電的金屬片，相互連接好讓電流通過(guò)。機械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)常見(jiàn)的問(wèn)題包括會(huì )聽(tīng)見(jiàn)噪音，還有終端顧客因為感受到機械震動(dòng)而觀(guān)感不佳（尤其是轉換頻率驅動(dòng)應用）。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）和續流二極管（flywheel Diode）等額外零件，但這些額外零件會(huì )對最后結構的復雜性帶來(lái)負面影響。切換時(shí)產(chǎn)生的機電應力，中長(cháng)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，因為機械式觸點(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、驅動(dòng)器或放大器，可大幅降低印刷電路板的復雜性和面積。結果就是可靠度提升，交換時(shí)間最多可增加10倍。
小型電源封裝有助于節省應用面積
汽車(chē)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)越嚴苛。
通常會(huì )使用H橋配置這種拓撲來(lái)驅動(dòng)雙向直流馬達：交替開(kāi)啟橋式開(kāi)關(guān)，就可能控制馬達方向或煞住馬達。雖然使用繼電器就能輕松建置H橋架構，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。此外，為建置高電壓瞬態(tài)抑制、系統診斷和保護等功能也必須額外附加離散電路，例如緩沖器、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(huì )對應用的可靠度帶來(lái)負面影響。
最后，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(lái)說(shuō)得保持17 mm的垂直距離。
考慮到VIPowerTM M0-7技術(shù)杰出的節省空間特質(zhì)，意法半導體H-橋系列產(chǎn)品能將整個(gè)馬達驅動(dòng)架構建置到先進(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)間和脈寬調變（PWM）控制
導引H橋架構時(shí)，必須特別留意避免電池線(xiàn)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(dòng)態(tài)擊穿（shoot through）。每當擊穿事件發(fā)生，就會(huì )額外產(chǎn)生電池線(xiàn)的噪音和電力消耗，進(jìn)而降低系統效率。如果H橋是由脈寬調變訊號之類(lèi)的快速開(kāi)關(guān)所驅動(dòng)，這個(gè)現象就會(huì )變得更加嚴重。
脈寬調變輸入訊號常被用來(lái)控制H橋架構，只要改變工作周期，就能調節馬達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；
- 失速狀況控制；
- 不受電池電壓影響進(jìn)行馬達調速；
- 減少起步時(shí)的涌入電流
一般直流馬達配置文件會(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格，才能承受這樣的高電流一段時(shí)間，而這也會(huì )持續影響最終應用的電線(xiàn)尺寸、印刷電路板面積和驅動(dòng)器功能。
確實(shí)繼電器規格書(shū)只提供電阻性直流負載最大限度的觸點(diǎn)額定值，但此額定值會(huì )被高度電感或電容負載大幅降低。
以脈寬調變訊號驅動(dòng)直流馬達，就可能在有限的力矩下達到順暢的馬達起步。涌入電流也會(huì )減少，延長(cháng)馬達啟動(dòng)期。以脈寬調變訊號驅動(dòng)直流馬達，就能優(yōu)化電力的消耗，進(jìn)而縮小電線(xiàn)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，切換時(shí)間會(huì )受機械尖端移動(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）必須建置適當的邏輯保護，以防止不必要的交互傳導事件。
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20 KHz。切換配置文件經(jīng)過(guò)特別設計，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功能，可避免動(dòng)態(tài)和靜態(tài)交互傳導問(wèn)題。因此，VNH7系列是專(zhuān)為優(yōu)化系統效能而設計。
VIPowerTM M0-7系列H橋用于直流馬達控制
VIPower™ M0-7 H橋系列可視為驅動(dòng)車(chē)用直流馬達的自然選項，能滿(mǎn)足市場(chǎng)對提升可靠度、系統效率及豪華感等優(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)力結構整合到單一封裝，提供全面整合和受保護電路的完整產(chǎn)品組合。因為可以提供不同的開(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（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等高功率組件則采用不同架構，包含高側功率MOS和低側閘驅動(dòng)器。因此，要完成H橋架構就必須有外部的低側功率MOS（建議采用意法半導體STL76DN4LF7AG）。
20-kHz的脈寬調變速度控制加上診斷機制，讓上述產(chǎn)品最適合用于高階汽車(chē)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(jīng)過(guò)優(yōu)化，盡管會(huì )增加電路板上電子零件數量，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、外殼溫度和電流負載的偵測）與保護功能（過(guò)電壓、短路、高溫和交互傳導防護），可同時(shí)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(guān)閉狀態(tài)診斷功能之賜，待命狀態(tài)期間可監測馬達狀態(tài)，避免開(kāi)啟時(shí)可能產(chǎn)生的損害。
在車(chē)身控制模塊里結合VIPower™ M0-7的智能功率切換功能以及H橋驅動(dòng)器，就能節省電力消耗、印刷電路板面積和布線(xiàn)需求。實(shí)際成果將是系統可靠度增加，且預估每部車(chē)最多可減輕50公斤的重量，而這對污染來(lái)說(shuō)都將呈正面影響，包括內燃機（ICE）車(chē)輛的二氧化碳排放減少（估計最高3.5g/km）、電池優(yōu)化，純電動(dòng)車(chē)（BEV）的自動(dòng)駕駛程度也能獲得提升。
