汽車(chē)本地網(wǎng)絡(luò )的機電一體化解決方案

摘要： 汽車(chē)功能機電一體化模塊和LIN總線(xiàn) 基礎設施相連接，在可靠性、整合速度和成本上顯示出明顯的優(yōu)勢。要實(shí)現一個(gè)可滿(mǎn)足性能和熱設計限制的最佳機電一體化解決方案，需要從幾種候選技術(shù)中做出明智的選擇。

關(guān)鍵詞： LIN 接口；AMI3062x；步進(jìn)電機；混合信號；ASSP

汽車(chē)制造商致力于在每種新的汽車(chē)設計中擴大電子控制的使用。在崇尚實(shí)用和經(jīng)濟的汽車(chē)市場(chǎng)上，相對于機械系統，電子控制的優(yōu)勢在于由更簡(jiǎn)易快速的裝配實(shí)現成本降低，而重量的減輕則大大減少了燃料成本。品牌汽車(chē)的重點(diǎn)在于提供先進(jìn)的功能并提高乘客的舒適度，讓產(chǎn)品與眾不同，并保證利潤。

這種趨勢要求對汽車(chē)裝配線(xiàn)的基礎設施進(jìn)行根本改變，例如重新設計。傳統的點(diǎn)對點(diǎn)配線(xiàn)方式，由于電子子系統數量不斷增加，會(huì )很快變得沉重而復雜，難以承受。

更重要的是，與大量制動(dòng)器的中央控制有關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)工作變得尤其復雜和費時(shí)，這就要求設計師開(kāi)發(fā)出可靠的軟件。另外，中央控制器和單獨的子系統之間復雜的信號聯(lián)系，例如對大量電子電動(dòng)機的PWM控制，會(huì )導致高度電磁輻射，造成困難的輻射抑制，這在汽車(chē)整體基礎上解決將會(huì )非常昂貴。

將更多智能轉向單獨的子系統，會(huì )減少很多汽車(chē)配線(xiàn)和信號傳輸，也會(huì )減少汽車(chē)中央控制器負荷。驗證和確保軟件能夠運行多個(gè)功能組合是一個(gè)冗長(cháng)的過(guò)程，需要花費很多工程設計時(shí)間。另外，不同種類(lèi)的電纜樹(shù)的開(kāi)發(fā)、制作和安裝，以及為每一個(gè)電機進(jìn)行的額外的點(diǎn)對點(diǎn)配線(xiàn)，會(huì )很快帶來(lái)更多重量和成本。由于控制板和電機之間高密度的信號傳輸，電磁輻射也會(huì )開(kāi)始增多。

另外一個(gè)模塊化和容易實(shí)現的解決方案，是將數碼控制融合到一個(gè)單片集成或多芯片電機驅動(dòng)器。增加或減少一個(gè)電機變得更加容易，只需要相應增加或減少電機驅動(dòng)器芯片或模塊。然而，這需要改變板塊設計，這個(gè)解決方案沒(méi)有減少控制板和電機陣列之間配線(xiàn)的復雜性。因此，如果要解決成本和電磁問(wèn)題，就需要另外的解決方案。

將更多智能向電機點(diǎn)轉移，采用電機一體化模塊，這個(gè)模塊包含接口、控制器和驅動(dòng)器以及電機本身組成一個(gè)獨立的單元，如圖1所示。

圖1  電機一體化模塊示意

這樣可減少控制板的裝載量，只包含處理器和一個(gè)總線(xiàn)接口，就像三線(xiàn)LIN總線(xiàn)那樣。LIN已經(jīng)被汽車(chē)電子集成商廣泛使用，以減少汽車(chē)配線(xiàn)的復雜性和信號傳輸。作為一種業(yè)界標準的互連解決方案，可以采用標準的LIN接口以及模塊內部的控制和驅動(dòng)功能，來(lái)支持大量的機電一體化模塊在汽車(chē)上應用。

額外增加一個(gè)電機，只需簡(jiǎn)單地將電機作為一個(gè)完整的機電一體化模塊連接到總線(xiàn)上。這不僅解決了軟件復雜性、EMI和分級性，而且允許汽車(chē)模塊供應商向汽車(chē)制造商客戶(hù)交付“現成套裝”模塊。因此，電子系統的集成變得更加直接，為新車(chē)型和現有車(chē)型的改進(jìn)獲取市場(chǎng)利益創(chuàng )造寶貴的時(shí)間。子系統銷(xiāo)售商也可以創(chuàng )造新的功能，將IP嵌入到模塊中去，這樣就能實(shí)現與眾不同，并且保護他們在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的投資。

通常和LIN網(wǎng)絡(luò )連接的汽車(chē)電子模塊包括安裝在門(mén)上的車(chē)窗、門(mén)鏡和門(mén)鎖的驅動(dòng)、電子座椅調節、頂燈定位系統、溫度控制電機和風(fēng)扇。大多數這些應用都要求在一維或幾維內進(jìn)行控制。為了實(shí)施一個(gè)機電一體化解決方案，系統集成商不僅需要成熟的LIN接口IP，還需要帶有集成電機驅動(dòng)功能的可配置電機控制、CPU和存儲子系統的集成，以及適用于汽車(chē)額定電壓的電力電子技術(shù)。

圖2顯示集成了總線(xiàn)接口功能塊和機電一體的電機控制器解決方案。LIN接口接收高電平的電機驅動(dòng)和位置命令。智能電機驅動(dòng)功能使必要信號從一個(gè)電機移動(dòng)到另一個(gè)電機。具體的執行可能需要一個(gè)狀態(tài)機、微步進(jìn)電流查找表和電流控制器，能夠由設計者設置參數，以滿(mǎn)足具體的系統要求。除了接口和控制功能，還必須使用其他的功能塊，例如步進(jìn)電機控制所需的穩壓器、電荷泵以及電機驅動(dòng)MOSFET。一個(gè)智能的電力技術(shù)，可以將所有這些模塊合并成單個(gè)集成解決方案，快速地集成到電機組件中去。

圖2  電機控制器解決方案示意

這種方式也可以在硬件中采用更加復雜的電機控制功能，例如電流整形。如果獨立設計出一種步進(jìn)電機控制器，設計者通常會(huì )希望采用他們自己的電流整形來(lái)支持微步進(jìn)“向前”、“慢速衰減”、“快速衰減”和“混合衰減”模式。另外一個(gè)對步進(jìn)電機操作有關(guān)鍵影響的設計是確定PWM頻率。如果頻率設定過(guò)高，就有可能導致過(guò)熱。另一方面，如果頻率過(guò)低，驅動(dòng)器就會(huì )產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的噪音。設定合理的頻率取決于包括供應電壓、常用電流和操作溫度在內的操作條件。如果應用的是汽車(chē)機電一體化模塊，這些都可以精確地得到預測。假定典型值，計算出一個(gè)最佳PWM頻率約為22kHz。因此，在硬件中固定PWM頻率是可行的，這樣能節省外部的器件。其他在硬件中可能有用的功能，如可以最大化可靠性、減少組件數量以減少外部二極管或肖特基器件裝置，以及片內電流感測都集成在一顆芯片中。片內電流感測允許單片集成控制器IC獨立回應命令，該命令由設定電機電流的LIN總線(xiàn)接收。

通過(guò)在硬件中采用必要的步進(jìn)電機控制，圖中顯示的電容成了唯一需要的外部元件。對電子子系統的銷(xiāo)售商來(lái)說(shuō)，這個(gè)流線(xiàn)型硬件集成減少了軟件設計，允許開(kāi)發(fā)者集中精力在應用設計層面上，增加獨特功能和成本效益。AMI已經(jīng)采用這種方法，為L(cháng)IN連接的汽車(chē)機電一體化模塊設計了一個(gè)單芯片步進(jìn)電機控制器。

AMI3062x就是一個(gè)使用AMI的智能功耗技術(shù)，即智能接口技術(shù)(I2T)制造的單芯片集成IC。I2T可以在一個(gè)單獨的IC中實(shí)現低壓、中壓和高壓電路集成、高精度模擬電路、非易失性存儲和一些中等復雜的數字電路。如圖3所示，在這個(gè)器件中，兩個(gè)H橋MOSFET驅動(dòng)器，都使用了40V的低漏-源電阻RDS (ON)晶體管，能夠滿(mǎn)足高達800mA的電機電流要求。

圖3  AMIS-3062X內部電路示意

支持智能功耗技術(shù)的開(kāi)發(fā)工具，也讓工程師有了足夠的靈活性來(lái)設計定制的電機控制總線(xiàn)命令。這些可以用于加速應用開(kāi)發(fā)，以及減少總線(xiàn)的內部信號傳輸。

使用標準產(chǎn)品的機電一體化

需要更高電機驅動(dòng)要求的模塊，可能需要額外的外部MOSFET，可能會(huì )使用I2T集成的MOSFET作為前級驅動(dòng)。另外，一個(gè)要求更復雜的信號傳輸的模塊可能需要一個(gè)微處理器。使用標準的8、16或32位處理器，結合基于標準數字組件和電力電子的智能電力或分離解決方案是另一種選擇。

更高程度的集成和智能

另一方面，片上系統(SoC)解決方案提供了最大的可靠性、組裝簡(jiǎn)便性、更低成本的材料和供應的連續性。需要一種能夠支持嵌入式微處理器、高精度模擬的復雜數字電路和高壓功能的工藝。例如，BCD (Bipolar CMOS DMOS)工藝允許用數字CMOS 電路集成微控制器核、芯片內存儲以及采用半橋或全橋高壓電機驅動(dòng)器的獨立DMOS 晶體管。BCD工藝的優(yōu)點(diǎn)，包括最大的DMOS晶體管的額定電壓，以及芯片內存儲器和處理器內核的容量。為了達到14V和將來(lái)42V的汽車(chē)電子供電標準，DMOS晶體管就應該調整到80V。

一個(gè)例子是，AMI的BCD工藝采用了0.35mm技術(shù)的數字CMOS電路，能夠使用一系列內核為32位的復雜處理器，例如ARM7TDMI。還有OTP存儲器，用于代碼存儲的64kByte嵌入式閃存和/或1 kByte的數據EEPROM。芯片內高精度模擬電路，包括光帶隙基準 、ADC和DAC，以及包括LIN控制器在內的數字IP，能夠簡(jiǎn)化一級供應商的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

多芯片模塊解決方案

另外，制造多芯片模塊、綜合使用智能功耗、數字和模擬技術(shù)，讓設計者獲得更多自由度，能夠創(chuàng )造出適用于復雜的多維解決方案的、擁有更大存儲容量更靈活的處理子系統。還可以使用更小的設計規則來(lái)制造CPU子系統，雖然需要更高的工藝成本，但更小的芯片尺寸也能減少實(shí)際成本。

然而作為機電一體化模塊的一部分，組裝一個(gè)多芯片解決方案不是一件簡(jiǎn)單的事情。為了滿(mǎn)足汽車(chē)質(zhì)量和可靠性標準，需要采用嚴格控制的系統封裝 (SiP)技術(shù)，它是QS9000認證的封裝。因此，系統集成商必須在多芯片方式更大的靈活性和可靠性風(fēng)險、更多的SiP開(kāi)發(fā)和組裝之間取得平衡。

散熱對系統分割和封裝的影響

特定機電一體化解決方案的最佳配置，必須將電機產(chǎn)生的熱量、RDS(ON)產(chǎn)生的熱量以及電機驅動(dòng)器功率 MOSFET內部的開(kāi)關(guān)損失考慮在內。

因此單芯片集成的使用，會(huì )使包括MCU和存儲在內的數字電路超過(guò)制造商建議的最高工作溫度。一個(gè)潛在的解決方案是提高數字工藝的工作溫度。另一方面，使用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，通過(guò)對隔離的DMOS晶體管的散熱，消除熱量在SoC襯底中的積累，也可能會(huì )有效防止過(guò)高的溫度毀壞數字電路。在實(shí)際應用中，兩種技術(shù)結合使用可能會(huì )更有效。

結語(yǔ)

對于想要提供獨一無(wú)二的使用價(jià)值的子系統開(kāi)發(fā)商和希望加快進(jìn)入市場(chǎng)速度、節約成本和增加新車(chē)型賣(mài)點(diǎn)的汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，機電一體化解決方案與汽車(chē)LIN總線(xiàn)基礎設施對接有很明顯的優(yōu)點(diǎn)。結果是，全球的汽車(chē)買(mǎi)家都能夠得到更大的可靠性、駕駛/使用更加便捷和更有樂(lè )趣的更多板上電子功能，以及更快的新車(chē)型更新速度。

為了采用機電一體化模塊的電子控制功能，有幾個(gè)技術(shù)解決方案可以使用。需要考慮的主要問(wèn)題是性能要求、成本、靈活性、可靠性和散熱性能。首先，關(guān)鍵是要選擇一位精通這些適用技術(shù)的專(zhuān)家級合作伙伴，使用最合適的架構來(lái)滿(mǎn)足整體的系統要求。