為什么還在使用繼電器驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)

隨著汽車(chē)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(kāi)始在解決大家熟視無(wú)睹的問(wèn)題的時(shí)候了：為什么我們?nèi)匀辉谔齑澳K、車(chē)窗玻璃升降器、動(dòng)力鎖、后擋板升降器、記憶座椅、壓縮機(jī)和泵中用繼電器控制電機(jī)？當(dāng)然，使用繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì)便宜而且簡(jiǎn)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(duì)于現(xiàn)代電機(jī)應(yīng)用而言似乎頗顯笨重。對(duì)于安靜、小而安全的解決方案，固態(tài)IC是汽車(chē)電機(jī)控制應(yīng)用的最佳選擇。

解決方案尺寸

我們來(lái)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。

針對(duì)解決方案尺寸，固態(tài)8mm×8mm方形扁平無(wú)引腳封裝（QFN）加上兩個(gè)雙排封裝N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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?？磟軸，整個(gè)固態(tài)解決方案大約9毫米高?；?.035英寸。如果要構(gòu)建電機(jī)驅(qū)動(dòng)器印刷電路板（PCB），輕松地安裝在電機(jī)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(dòng)器還集成了一整套保護(hù)功能，在繼電器解決方案中不得不獨(dú)立構(gòu)建這些功能。這些功能包括：

電機(jī)電流測(cè)量

對(duì)于任何類(lèi)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(dú)的分立放大器電路來(lái)增加在檢測(cè)電阻上測(cè)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(shí)關(guān)閉電機(jī)或限制電流。但是固態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)電流檢測(cè)電阻。圖2顯示了集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC和分立電流測(cè)量電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的差異。

TI的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步采取了電流調(diào)節(jié)措施，使用連接到集成電流檢測(cè)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(gè)外部基準(zhǔn)電壓，器件將處理電流限制，釋放原來(lái)用于MCU或分立構(gòu)建的資源。檢測(cè)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(qǐng)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(shí)，固態(tài)IC通?？梢詫?shí)現(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(duì)于繼電器解決方案，為了實(shí)現(xiàn)類(lèi)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(dòng)器與MCU連接的電路拓?fù)浣Y(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(duì)摻雜N摻雜P摻雜N摻雜（NPN）雙極結(jié)型晶體管（BJT）的達(dá)林頓管的需求，兩個(gè)電阻和一個(gè)保護(hù)二極管只會(huì)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(dòng)雙向電機(jī)，將需要兩個(gè)雙排封裝單刀雙擲［SPDT］繼電器，這意味著需要上述兩個(gè)電路元件來(lái)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繼電器線圈。使用TI的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速曲線

帶繼電器的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線非常低效。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)與電機(jī)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(jī)，使用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力車(chē)窗、升降車(chē)門(mén)、天窗、滑動(dòng)車(chē)門(mén)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T(mén)I的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供來(lái)自MCU的兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)來(lái)控制電機(jī)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(gè)PWM信號(hào)施加到使能引腳，而簡(jiǎn)單的邏輯高或低相位引腳控制電機(jī)的方向。邏輯電平的PWM信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為具有正確電壓的MOSFET柵極，以完全增強(qiáng)高端或低端MOSFET。使用這種類(lèi)型的接口，您可以快速設(shè)計(jì)多速泵、滑動(dòng)玻璃天窗的定制運(yùn)動(dòng)曲線、軟關(guān)閉動(dòng)力車(chē)窗、便宜的可變速擋風(fēng)玻璃雨刮器或任何其他類(lèi)型的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)應(yīng)用。

實(shí)例

小占用空間天窗電機(jī)模塊參考設(shè)計(jì)是一款用于天窗和車(chē)窗玻璃升降應(yīng)用的固態(tài)電機(jī)控制模塊。該TI參考設(shè)計(jì)采用DRV8703-Q1柵極驅(qū)動(dòng)器，集成了電流并聯(lián)放大器以及兩個(gè)雙排封裝汽車(chē)級(jí)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(jí)布局。該設(shè)計(jì)還包括兩個(gè)TI的DRV5013-Q1鎖存型霍爾傳感器，用于對(duì)電機(jī)位置進(jìn)行編碼。

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

編輯：金巧