東芝為電動(dòng)助力轉向打造電機驅動(dòng)系統核心

隨著(zhù)汽車(chē)電氣和電子系統設計日趨復雜化，汽車(chē)電子系統的安全性逐漸成為消費者與廠(chǎng)商衡量新一代汽車(chē)產(chǎn)品優(yōu)劣的重要指標。如何量化評估汽車(chē)功能是否安全，如何減少、規避駕駛過(guò)程中遇到的各類(lèi)風(fēng)險，如何做到汽車(chē)功能安全等問(wèn)題變得十分突出，為了解決上述難題，ISO26262 汽車(chē)功能安全國際標準應運而生。

ISO26262 定義的功能安全是為了避免因電氣／電子系統故障而導致的不合理風(fēng)險。由于電子控制器失效的可預見(jiàn)性非常低，為了保證即使出現部分電子器件故障，汽車(chē)系統也能在短期（故障容錯時(shí)間內）內安全運行，需要進(jìn)行功能安全防護。IS026262 標準針對汽車(chē)功能的ASIL（汽車(chē)安全完整性）劃分為A、B、C、D 四個(gè)等級。其中，A 安全等級最低，D 為安全等級最高。目前絕大多數乘用車(chē)都要求其電子系統必須達到ASIL-D 級標準，這直接促使汽車(chē)電子系統元器件進(jìn)行了全方位的升級換代。

相比剎車(chē)、雷達等傳統意義的安全系統，電動(dòng)助力轉向（electric power steering，EPS）是較早引入電子控制系統的車(chē)內功能單元，同時(shí)也是跟駕駛員最密切的功能安全系統。EPS 作為直接依靠電機提供輔助扭矩的動(dòng)力轉向系統，相比傳統的液壓轉向助力系統具有明顯的節能優(yōu)勢。同時(shí)，轉向助力大小可以通過(guò)軟件調整，能夠兼顧低速時(shí)的轉向輕便性和高速時(shí)的操縱穩定性。EPS 主要由扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、電機驅動(dòng)、減速機構和電子控制單元（ECU）等組成，其中電機驅動(dòng)芯片和功率器件組成的電機控制系統是整個(gè)EPS 的控制核心，決定并執行每一次助力的行為（如圖1）。

圖1 EPS電機驅動(dòng)系統的結構

在如今的汽車(chē)EPS 系統中，對直流無(wú)刷電機驅動(dòng)器件的需求不斷增加，除了必須滿(mǎn)足ASIL-D 的要求之外，還要具有更高的集成度以滿(mǎn)足器件的小型化需求。在確保電機驅動(dòng)器實(shí)現高效率的同時(shí)，還要保障整個(gè)設備的低噪音甚至靜音運行。除此之外，如今的電機系統需要多種運行模式（連續運行、定期運行和短暫運行），同時(shí)還要結合車(chē)規器件必不可少的高可靠性、防水、防塵以及抗振動(dòng)等特性。除了上述要求，越來(lái)越多的系統相關(guān)功能也需要逐步整合到半導體模組中，以方便在系統中實(shí)施，如電流檢測以及保護和診斷功能，這些都是幫助系統更好地滿(mǎn)足功能安全ASIL-D 標準的必要集成。

針對EPS 系統的電機驅動(dòng)應用，東芝目前主推的是實(shí)現功能安全性的增強型無(wú)刷電機預驅IC——“TB9081FG”。該芯片在2018 年實(shí)現量產(chǎn)，并在多款歐美車(chē)型上得到廣泛應用。多功能集成是TB9081FG的重要特性，該產(chǎn)品集成了包括3 相預驅動(dòng)電路、故障安全繼電器預驅動(dòng)電路和電機電流檢測電路，以及各種故障檢測電路在內的多項關(guān)鍵功能。該IC 還融合了用于檢測故障檢測電路中潛伏性故障的初步診斷電路，以確保更高的功能安全。此外，東芝還進(jìn)行了一系列功能安全分析，模擬各種系統故障，而且還為客戶(hù)提供諸如FMEDA 之類(lèi)的記錄文件，以支持安全分析和設計。特別是，針對功能安全的要求，當檢測到故障時(shí)，用戶(hù)可采用兩種方式其中之一，利用SPI 通信的輸入設定來(lái)設置系統對檢測到的故障作出響應。

一種設定是利用這款全新的IC 停止外部MOSFET，另一種設定是利用MCU（微控制器單元）切換至MOSFET 的外部控制。兩種方式可根據用戶(hù)應用或系

統進(jìn)行選擇，且適用于各種不同系統。相比競爭對手的產(chǎn)品，除了高可靠性和高效率外，東芝的EPS 系統電機驅動(dòng)更善于將外圍的器件集成到IC 內部，從而大幅降低系統的體積和質(zhì)量，更符合未來(lái)汽車(chē)電子發(fā)展的方向。

在TB9081FG 基礎上，針對未來(lái)的EPS 系統發(fā)展，特別是從功能安全到未來(lái)無(wú)人駕駛的安全需求，需要增加冗余控制器（配置2 到3 套控制系統）方案以滿(mǎn)足新的技術(shù)要求，這就意味著(zhù)產(chǎn)品性能將更為精準，產(chǎn)品體積將進(jìn)一步小型化，同時(shí)還要增加靈活度并降低成本。為此，東芝準備了全新的TB9083FTG（2022年國內量產(chǎn)提供）產(chǎn)品，以滿(mǎn)足面向Level-3 以上的自動(dòng)駕駛或未來(lái)的無(wú)人駕駛應用。相比TB9081FG，TB9083FTG 通過(guò)封裝的不同和功能的取舍，在尺寸和成本上進(jìn)行了優(yōu)化，并對工作溫度范圍進(jìn)行了提升。

此外，TB9083FTG 集成了更多外圍電路，PCB 的尺寸也更小。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在多個(gè)歐美和日本的車(chē)型上得到了廣泛應用。兩個(gè)產(chǎn)品的詳細差別見(jiàn)表1。

功率器件也是電機驅動(dòng)系統中不可或缺的部分，而在標準的EPS 控制系統中普遍要采用9 ～ 11 個(gè)MOSFET 構建一套完整的驅動(dòng)系統，冗余系統需要的MOSFET 數量則要翻倍。目前面向EPS 系統應用東芝主要推出的是兩款采用小型低電阻SOP Advance（WF）封裝（通常稱(chēng)為5 mm×6 mm 底部帶散熱片封裝）的汽車(chē)用40 V N 溝道功率MOSFET 產(chǎn)品——“TPHR7904PB” 和“TPH1R104PB”。其采用最新第9 代U-MOS IX-H 溝槽工藝制造以及小型低電阻封裝，低導通電阻有助于降低導通損耗。與東芝上一代設計（U-MOS IV） 相比，U-MOS IX-H 設計還實(shí)現了更低的開(kāi)關(guān)噪聲，其中TPHR7904PB 實(shí)現了0.79 mΩ 的最大導通電阻（RDS(ON) 最大值），有助于降低EMI。SOP Advance（WF） 封裝采用“ 可焊錫側翼”（Wettable Flank）引腳結構，支持在焊接之后進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）。在客戶(hù)選擇方面，TPHR7904PB 的性能最優(yōu)，而TPH1R104PB 則是性?xún)r(jià)比更高的選擇，客戶(hù)可以根據實(shí)際需求選擇最合適的產(chǎn)品。

面向未來(lái)的汽車(chē)電子需求，東芝電子不斷拓展封裝方式以提升MOSFET 支持的電流上限，東芝計劃在高密度的TOGL 封裝上支持電流高達400 A 的MOSFET，而sTOGL 封裝則可以支持最高250 A 電流。這兩種新的產(chǎn)品將在2021 年實(shí)現量產(chǎn)，可以滿(mǎn)足更多車(chē)載功率器件的需求。

完整的系統解決方案是東芝電子另一個(gè)核心競爭優(yōu)勢，比如在面向EPS 的系統解決方案中，東芝除了電機預驅動(dòng)TB9081FG 和系統驅動(dòng)用MOS 管之外，還可以提供適用于A(yíng)SIL D 系統的傳感器安全機制3通道電源TB9044AFNG 和MCU 等優(yōu)秀產(chǎn)品，在保持高性能的同時(shí)性?xún)r(jià)比也極具競爭力。

作為傳統的汽車(chē)半導體杰出供應商，東芝電子在滿(mǎn)足功能安全方面始終堅持與客戶(hù)攜手走在技術(shù)標準的前列，特別是隨著(zhù)國內汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，東芝電子希望通過(guò)本地化服務(wù)體系將歐美成熟市場(chǎng)的先進(jìn)功能安全方案引入國內，幫助國內車(chē)企或Tire1 供應商打造符合國際高水平的功能安全電子系統。

為了幫助中國客戶(hù)更好地采用東芝的解決方案，東芝電子在國內可為客戶(hù)提供完整的參考設計，或通過(guò)第三方合作伙伴及IDH 的支持提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)與服務(wù)，目前已經(jīng)可以在中國本地化設計合技術(shù)支持服務(wù)，更好地幫助國內車(chē)企和系統提供商快速開(kāi)發(fā)出具有國際高水平的滿(mǎn)足功能安全標準的汽車(chē)系統。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期）