為什么還在使用繼電器驅(qū)動汽車電機？

　　隨著汽車電氣系統(tǒng)中日益采用更小更智能的集成電路(IC)，現(xiàn)在是開始在解決大家熟視無睹的問題的時候了：為什么我們?nèi)匀辉谔齑澳K、車窗玻璃升降器、動力鎖、后擋板升降器、記憶座椅、壓縮機和泵中用繼電器控制電機?當(dāng)然，使用繼電器進行設(shè)計便宜而且簡單，但是，考慮到其有限的使用壽命和較大的解決方案尺寸，它們的功能對于現(xiàn)代電機應(yīng)用而言似乎頗顯笨重。對于安靜、小而安全的解決方案，固態(tài)IC是汽車電機控制應(yīng)用的最佳選擇。

　　解決方案尺寸

　　我們來比較一下兩種解決方案，如圖1所示：典型的繼電器解決方案和具有相同額定電壓和電流的等效固態(tài)解決方案。

　　圖1: 繼電器解決方案與固態(tài)解決方案

　　針對解決方案尺寸，固態(tài)8mm×8mm方形扁平無引腳封裝(QFN)加上兩個雙排封裝N溝道金屬氧化物半導(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。看z軸，整個固態(tài)解決方案大約9毫米高?；?.035英寸。如果要構(gòu)建電機驅(qū)動器印刷電路板(PCB)，輕松地安裝在電機外殼的背面，TI的固態(tài)解決方案非常適合此應(yīng)用。

　　除了尺寸外，固態(tài)柵極驅(qū)動器還集成了一整套保護功能，在繼電器解決方案中不得不獨立構(gòu)建這些功能。這些功能包括：

　　電機電流測量

　　對于任何類型的電流調(diào)節(jié)，繼電器和固態(tài)系統(tǒng)都需要并聯(lián)電阻。繼電器解決方案需要單獨的分立放大器電路來增加在檢測電阻上測量的電壓。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關(guān)閉電機或限制電流。但是固態(tài)電機驅(qū)動器通常集成了低端電流并聯(lián)放大器，因此需要的唯一的分立元件是單個電流檢測電阻。圖2顯示了集成電機驅(qū)動IC和分立電流測量電路拓撲結(jié)構(gòu)之間的差異。

　　圖2：分立與固態(tài)電流測量

　　TI的電機驅(qū)動器進一步采取了電流調(diào)節(jié)措施，使用連接到集成電流檢測放大器的輸出的內(nèi)部比較器集成逐周期電流斬波方法。所需要的只是一個外部基準電壓，器件將處理電流限制，釋放原來用于MCU或分立構(gòu)建的資源。檢測放大器的輸出仍然連接到封裝引腳，但如果您只需要一定程度的電流調(diào)節(jié)，請考慮采用完全集成的解決方案，如DRV8702-Q1或DRV8703-Q1。

　　接口連接MCU

　　當(dāng)將繼電器和固態(tài)解決方案連接到MCU時，固態(tài)IC通?？梢詫崿F(xiàn)MCU通用輸入輸出(GPIO)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)引腳之間的直接連接。這些IC通常具有足夠的靈活性，可將1.8、3.3或5V邏輯電平電壓與基于接地的高阻抗下拉電阻連接。對于繼電器解決方案，為了實現(xiàn)類似的輸入控制，需要某種電流增益以控制繼電器內(nèi)的螺線管線圈。圖3顯示了將繼電器和固態(tài)驅(qū)動器與MCU連接的電路拓撲結(jié)構(gòu)的差異。

　　圖3：接口連接MCU

　　圖3中的繼電器解決方案概述了對摻雜N摻雜P摻雜N摻雜(NPN)雙極結(jié)型晶體管(BJT)的達林頓管的需求，兩個電阻和一個保護二極管只會用MCU GPIO引腳直接干擾繼電器線圈。為了創(chuàng)建H橋并驅(qū)動雙向電機，將需要兩個雙排封裝單刀雙擲[SPDT]繼電器，這意味著需要上述兩個電路元件來單獨驅(qū)動兩個繼電器線圈。使用TI的電機驅(qū)動器之一，可以移除所有這些分立元件，從而創(chuàng)建更小更干凈的PCB解決方案。

　　電機轉(zhuǎn)速曲線

　　帶繼電器的電機轉(zhuǎn)速曲線非常低效。設(shè)計人員可以通過與電機串聯(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，使用繼電器來實現(xiàn)動力車窗、升降車門、天窗、滑動車門或泵的多速控制方案。如果要選擇不同的速度，這兩種解決方案都需要更多的繼電器，而更多的繼電器需要更多的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的電機驅(qū)動器提供來自MCU的兩個脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號來控制電機轉(zhuǎn)速。在DRV8702-Q1和DRV8703-Q1上，TI提供了相位/使能模式，其中只有一個PWM信號施加到使能引腳，而簡單的邏輯高或低相位引腳控制電機的方向。邏輯電平的PWM信號直接轉(zhuǎn)換為具有正確電壓的MOSFET柵極，以完全增強高端或低端MOSFET。使用這種類型的接口，您可以快速設(shè)計多速泵、滑動玻璃天窗的定制運動曲線、軟關(guān)閉動力車窗、便宜的可變速擋風(fēng)玻璃雨刮器或任何其他類型的簡單運動控制電機應(yīng)用。

　　實例

　　小占用空間天窗電機模塊參考設(shè)計是一款用于天窗和車窗玻璃升降應(yīng)用的固態(tài)電機控制模塊。該TI參考設(shè)計采用DRV8703-Q1柵極驅(qū)動器，集成了電流并聯(lián)放大器以及兩個雙排封裝汽車級封裝MOSFET，與典型的繼電器解決方案相比，可創(chuàng)建非常小的功率級布局。該設(shè)計還包括兩個TI的DRV5013-Q1鎖存型霍爾傳感器，用于對電機位置進行編碼。

　　使用TI的固態(tài)電機驅(qū)動器設(shè)計電機控制系統(tǒng)將有助于減小PCB解決方案的尺寸，從而實現(xiàn)從同一模塊控制更多的電機。憑借我們的電機驅(qū)動器的高集成度和簡單的控制方案，設(shè)計人員可以快速、輕松地重新設(shè)計當(dāng)前正在使用繼電器的大多數(shù)現(xiàn)代有刷直流電機控制器電路。

　　其它資源

　　欲了解更多固態(tài)電機驅(qū)動器參考設(shè)計，請參閱TI參考設(shè)計庫中的這些參考設(shè)計：

　　汽車12V 200W(20A)BLDC電機驅(qū)動參考設(shè)計。

　　汽車雙軸電動座椅有刷直流電機驅(qū)動參考設(shè)計。

　　汽車HVAC多翼板執(zhí)行器/阻尼器直流電機驅(qū)動器參考設(shè)計。

　　欲了解汽車電機驅(qū)動器產(chǎn)品的更多信息，請參見DRV8703D-Q1、DRV8703-Q1和DRV8305-Q1的產(chǎn)品頁面。

　　在此博客文章中了解更多關(guān)于TI如何將創(chuàng)新應(yīng)用于于的駕駛員座椅的信息。

　　在此博客文章中閱讀更多關(guān)于汽車HVAC翼板執(zhí)行器的信息。