用电机驱动 IC 升级传统继电器

大家好那我下面来介绍一下 那个针对车身电机的 德州仪器的模拟电机驱动IC产品 先自我介绍一下 我叫郑万宏 我是德州仪器模拟电机产品线 负责技术支持的应用工程师 那首先我们来大概了解一下 我们说的那个车身电机包括哪些应用 其实德州仪器有非常完整的产品线 用在模拟电机当中 那么在车身电机当中 我们主要面对的是一些 那个我们这里所列举的一些常见的应用 那它包括了是电动的座椅 然后各种车门 包括边门 然后天窗车尾门 另外我们在空调系统当中 可以用在里面的风机 或者是空调面板上面的风门驱动 在换挡器当中 我们一般会有遇到的那个 就是模拟的换挡手柄 在 charger 当中 我们可以常见就是充电口的自动锁扣 在车灯当中我们常见到的是 他的左右的自适应调整和自平衡 在 HUD 当中我们通常可以看到 会有一个步进电机来调整 HUD 抬头显示的一个角度 后视镜种调水平垂直以及自动折叠 那我们也知道 就是目前我们这些罗列的应用当中 绝大多数使用的电机驱动产品 它其实是用继电器来驱动的 那么我们也看到一个趋势是说 我们是有很多的应用 正在从继电器转向成模拟电机驱动IC产品 那么我们也就来讨论一下 那么为什么会有这样一个趋势 那相对于继电器来说 IC 产品的这种方案 会有什么样的一些优势 那首先我们来看一下 继电器的一个方案的寿命 我们知道继电器在车身应用当中的 这个电压和电流范围当中 在断开的时候它是一定会产生电弧的 那么电弧也就会导致 继电器上面的金属触点 它表面金属有融化和变形的这样一个情况 如果我们要去侦测 或者去抑制这样子的一种电弧 那你可能要去专门买一个 非常贵的电弧抑制器 那你如果要自己去搭的话 那本身也是会比较麻烦 因为这一部分的电路也是 既费面积又费成本的 我们摘抄了一个常用的 继电器的型号里面的规格 我们也可以看到它的一个电器寿命 也就是在1万到10万次的工作 我们来实际来算一下 那这样意味着这样子一个继电器 它的实际寿命会是什么样子的 在这里我们看一个非常常见的 就是雨刮器的限位开关 那么我知道就是只要这个 relay 继电器 一旦出现闭合打开 那一定是会产生一个电弧的 那电弧也会导致一个非常大的电流冲击 直接导致那个金属触点上面的金属 出现点蚀的状况 那么这个限位开关呢 它本身设计是在 雨刮器高低两个位置都会闭合 也就是说在一次工作周期当中 它会闭合两次 那我们刚才也提到 一个普通的一个继电器 它的寿命也就是在1万到10万次操作之间 我们就算它最长按照10万次来计算 也就是说 5 万次左右的工作周期 我们按照一个雨刮器 正常刮一次两秒钟来计算的话 连续工作也只能工作大概 28 个小时 那另外我们来比较一下 两个方案的实际的一个 PCB 的面积 左边这个是一个继电器的方案 那右边是我们用模拟 IC 来搭的一个方案 那实际上你从这个图片上 已经可以非常直观的看到 这两个方案的 PCB 面积的一个巨大的差异 在继电器的这个方案当中 它包含了中间那个最大的 也就是一个双路的单刀双掷的一个继电器 上边会有一个低边的 MOSFET 用来做那个电流调整 另外我们会有一些需要做到那个 反向电流续流的二极管 在我们的那个右边的 模拟电机 IC 的驱动方案当中 它包含了一个我们非常常见的 就是智能门极驱动器 另外包含了电流控制使用的电阻 以及两个双 N 的 MOS 管 那么全部加在一起 它的面积比起继电器的方案来说的话 仅占继电器方案的大概1/3的这样一个面积 另外我们要注意一下高度 那所有 IC 产品的高度都是以毫米计的 相比较而言的话 继电器的高度会是数倍于IC产品的高度 所以整个 PCB 的高度上面来说的话 也会有非常大的一个区别 那我们提一下就是这两个方案 我们都是按照标称 20 安培的 这样子一个电流要求来做的 另外来说的话 我们知道你在实际控制电机当中 你不仅是要驱动电机 你还需要做一些相应的电流采样的动作 所以在继电器的方案当中 你需要额外的去使用运放去采集电流 并且专门搭电路来做一些包括像短路保护 或者是其他的一些保护的一个功能 但相比较而言的话 IC 方案它就可以把这些功能 都集中在那个芯片里面 那本身芯片我们 TI 的芯片的话 都集成了内部的电流检测运放 所以你只需要在 IC 的外部加一个电阻 你就可以直接得到电流值 而且这个电流值是个直接可以输到 MCU 上 让你时时可以采集到这个电流值 另外来说我们的 IC 也内置集成了很多的保护功能 包括了低电压 然后我们也可以检测 MOS 管上的 VDS 来做电流过流的保护 还有像过温保护 以及像我们芯片本身自身的 Charge Pump 保护都做在了芯片内部 那另外一个非常重要的一个点 就是说现在你为了使这些应用当中 应用到的电机能够做更好的力矩的控制 包括说速度的一个控制 不可避免的话会采用一种 就 PWM 的控制方式 但是我们去看那个继电器的 它这样子的一个规格书的话 你会看到其实它能支持的 PWM 频率会非常的低 还是刚才我们提到的 那个业界非常常见的 一个继电器的规格书里面标明的 这样一个参数为例 那么它上面标称的是说 它可以支持每小时 1800 次的一个动作 那换算成 PWM 的话它就 0.5 个赫兹 那我们知道这样子的工作方式是 不能够去支持 PWM 的工作方式的 那相比较下我们的 IC 方案 用给 Gate Driver 加上 N-MOS 管 我们可以支持从 0 赫兹到 100K 赫兹 甚至更高的一个工作频率 那这样子的话你基本上可以完全 利用 PWM 的控制方式来 很好地控制你的那个电机电流 另外的话 TI 独有的 我们叫 smart Gate Driver 智能门极驱动器 它有可以调整的 IDRIVE 和 TDRIVE 的设定 这样子的话你不仅可以调整 PWM 的频率 占空比 你还可以调整 PWM 波 本身在 turn on turn off 的时候 他的那个打开关断的电压的斜率 这样子话你可以找到一个最好的一个平衡 就是你既可以使用比较快的一个 打开和关断的速率实现比较低的开关损耗 另外你又可以选择一个值 避免出现 EMI 的问题 那我们现在看到的话 就是 PWM 这种控制方式会经常使用到的 比方说是一个门窗的一个使用 另外的话像自动的一个边门 还有像那个就是雨刮器 现在我们也有一些雨刮器是要做无极变速的 包括像一些那个水泵油泵里面的一些控制 都会使用到这样子一个方式 我们来大概看一下那个我们的 就是刚才提到的 TI 的 smart gate driver 这是我们 TI 现在主推的 也是比较新的一类门极驱动器的产品 那么它当中最重要的一个概念 就是 IDRIVE 和 TDRIVE 的设定 我们知道门极驱动器它是用来 驱动外置的 MOS 管的 你要打开和关断 MOS 管本身 需要对它的极电容进行充电 所以你需要提供比较大的 source 电流和 sink 电流 但是在 MOS 管进入正常的 就是工作状态以后 其实你需要维持打开的电流并不大 所以我们就需要去合理的控制 那个打开和关断的电流 那以往的做法来说的话 大家通常是要在驱动器到 MOS 管之间 接一个门极电阻 那么通过门极电阻回路来设定 实际的导通和关断的那个电流值 来控制打开和关断的一个电压的斜率 那么 TI 的 smart gate driver 的话 已经换成了 IDRIVE 和 TDRIVE 的方式 我们这边列举了几个TI的产品 IDRIVE 的那个设定我们比较简单 可以理解就是在打开和关断的时候 你可以用电流源的方式去选择 TI 里面已经提供的 芯片里面已经提供的 IDRIVE 的值 这个 IDRIVE 的那个电流 是可以直接可以分 source 电流和 sink 电流的 它是由 IC 内部的电流源来提供的 所以你可以选择非常精确的 这样一个电流值 另外 TDRIVE 也就是这个电流需要工作多久 那么他只需要 cover 比方说打开的时候 cover 米勒平台就可以了 那么在过了这个时间以后 芯片将自动地切成闭环的维持电流 也就是一个小电流的这样子一个值 去保证那个 MOS 比正常的继续打开工作 所以我们用这种方式提供你非常灵活的设定 而且非常精准的设定 而且你也不再需要 gate 电阻 门极电阻就可以去掉了 这样你可以实现一个非常好的一个 MOSFET 的打开和关端的控制 那同时省去了 gate 电阻的这个回路以后 你也可以省掉很多的 PCB 面积 那设计上来说的话 当你在做一个新的方案调试的时候 我们这些 gate 电流的 就是 IDRIVE 和 TDRIVE 的设定 你可以通过比方说 SPI 的那个通信方式 去做实时的调整 或者是外部只需要更改一个电阻 就可以做那个就是电流和时间的一个设定 这样就不再需要像以往一样 每次你去做一个调整的时候 你需要对一个 H 桥四个 MOS 管的 门极电阻回路做硬件的一个调整 那从开发角度来说也是更加便利 然后时间也是更节省的 那第二个我们会比较就是推荐的是说 我们 gate driver 本身 都做了 MOSFET 的 VDS 的检测 那么知道就是门极驱动器 它和 MOS 当中配合有一个非常重要的点 是怎么样去提供比较好的电流的保护 那以往来说的话 我们可以在这张 PPT 上看到 通常大家都是依赖电阻的采样 通过这个电阻采样得到的电流值 来判断 MOSFET 上面的工作状态 那么它有一个缺点 就是说它是以一个半桥为单位 进行电流的检测和保护的 但是 VDS 的话它就不一样 VDS 是针对每个 MOS 上面去做 VD 就是 drain to source 电压的一个采样 那么它一个好处是它可以 针对每一个 MOS 做单独的一个检测 而且 VDS 直接与 RDSon 相关 所以它可以非常好地去做独立的保护 而且可以做非常好的一个 就是灵敏性的一个保护 所以我们在所有的 TI 的 那个门极驱动器当中都加了 VDS 检测 作为过电流保护的一个基本动作 那么这个点本身也是可以调整的 你可以通过 SPI 或者是外部的一个电阻 去调整这个 VDS 的保护点 那么你选择不同的那个 MOS 去参考它的 RDSon 和那个电流的关系和温度的关系 你就可以知道选择什么样的保护的点 来做这个过流的一个保护 我们刚才已经提了很多就是 TI 我们叫 smart gate driver 的 这样子一个智能门极驱动器的技术 那我们在这边的话就简单的来了解一下 这个智能门极驱动器是一个什么样的概念 那首先这边我们列出了一个最常见的 我们叫那个分立元器件搭的 这样一个驱动回路 那么其实这种回路可能 实际上已经不太容易见到了 所以今天来说的话 绝大多数您看到的 我们叫 gate driver 的一个电路 会是这样子的一个概念 那么这边讲的门极驱动器 那或者叫栅极驱动器 它里面其实只是包含了 一个 boost drive 的一个电路 所以低边是提供一个 buffer 来驱动低边的 MOS 高边是个 boost drive 来做一个那个升压的回路 通过 boost 电容对上管提供驱动电压 那么这种电路它本身集成度非常的低 所以它基本上能够提到的 就是节省的一个东西的话 也就只是这个 boost drive 这样子一个回路而已 这边所使用到的续流的二极管 包括这个电容都会是需要外置 而且从它的驱动器 到 MOS 的实际的 gate 之间 你还会需要比方说 source sink 电流的 设定的电阻回路 做的被动的下拉保护回路 还有像 VDS monitor 这样子的一些那个过电流保护回路等等 相对应来说我们今天说的 TI 的 smart gate driver 智能门极驱动器 它是一个基本的概念是说把所有的 你所需要的这些驱动的回路 和保护的回路都集成在一颗芯片当中 所以使用了 TI smart gate driver 那我们的概念是说 你可以从它到 MOS 之间实现直连 所以这边门极还有包括像那个 D S 这些极上面 都是直接一根线连过去的 这就 TI smart gate driver 的基本概念 那么从这个上面你也可以看到 首先我这个方案是一个非常 那个节省元器件的方案 因为我是一个单芯片的完整解决方案 从 MCU 到 MOSFET 之间 只需要这样一个 gate driver 就可以了 门极电阻这边的很多的被动元器件 都可以被集成掉 另外这些元器件本身 也是非常占用 PCB 面积的 所以你可以想象使用这个方案来说的话 它可以使用非常小 PCB 面积 做出一个非常大功率的一个产品 那么你可以把中间的 这非常多的那个节省下来的面积 全部用来做 MOSFET 的散热 另外 TI 的这个 smart gate driver 大家也可以去在 ti.com 上面 了解更多的信息 它也提供了这边只是列举了比方说VDS 还有像那个被动下拉 那么我们还提供比方说那个 米勒 clamp 之类的额外的一些保护电路 来保证这个方案是有比较高的可靠性的 我们现在在 TI 首页上 已经发布了最新的 smart gate driver 的视频 那也欢迎大家在 ti.com 的首页上面 去关注这样子的一个东西 也欢迎大家去搜索 smart gate driver 这样一个关键词 在 ti.com 上面 去了解更多的一些文档 还有像参考设计产品 以及一些那个培训的视频 目前我们针对车身电机的话 我们已经 release 了大概三个 主要的产品家族 这边所列举的主要的一个是 DRV870x-Q1 它是车规的产品 包括了目前已经发布的 DRV8701 02 和 03 那么它是一个集成了 完整的 H 桥的门极驱动器的这样一个产品 里面可集成两个高边两个低边的驱动电路 它提供内置的电流检测运放 提供刚才所提到的比方说低电压 然后 charge pump 保护 过流 过热 这样子一些完整的保护 另外它提供 cycle by cycle 的 电流的一个电流控制的一个动作 可以帮你抑制电机在启动 堵转时候产生的大电流 另外它也提供刚才所提到的 可以调整的 IDIRVE 还有像 VDS 这样子一些设定 那它的家族我们后面也会再提到 它有 SPI 接口的也有硬件接口 你可以通过 SPI 或者是 用那个外置电阻的方式来设定基本参数 那么 DLV870xD-Q1 这边这个 D 意思是说他其实和 870x 相对应的产品 是使用同样的封装 但是它只集成了一个半桥 就是只有一路的高边和低边驱动 那么它和 870x 系列做配合以后 可以提供客户更好的一个 就是选择的一个空间 它可以提供一个基数的半桥的 这样子一种那个方案 因为我们知道在车身当中有很多情况下 大家会使用我们叫那个 分时复用的一种方式 也就是也就是使用 N+1 个半桥 去控制 N 个电机 只要这 N 个电机不会同时动作就可以了 那么所以我们同时推这两颗 这两个系列可以帮助大家去选择 你所需要的奇数或者偶数的 那个就是半桥的数量 DRV8305 是我们已经推出的 针对三相无刷的车身电机 所使用的一个门极驱动器 那么它目前主要那个 面向的车身当中的应用就是各类泵 还有像那个空调系统里面所使用的 那个鼓风机的一个驱动 它也是三相也就是三个半桥 三个上管加三个下管全集成 包括了刚才提到的这些完整的保护功能 那么它也支持我们叫6X/3X/1X PWM的方式 它最低只需要 MCU 有一路的 PWM 输入 那其他的都可以用普通 GPIO 做一个三相 120 度方波的 三相无刷电机的一个控制 那么它本身也是可以支持 比方说那个就是我们叫有霍尔有传感器 无传感器的这样子一些 三相无刷电机的一个算法 那么它内置了三路的半桥的电流检测运放 可以支持像 FOC 算法的要求 另外我们刚才有提到 为了帮助大家去节省 设计的时间和精力的投入 我们也提供了许多的 TIDA 就是参考设计 那么针对刚才我们有提到的车身电机的话 这里列出了我们目前 点击量比较大的几个参考设计 那 TIDA01330 它是一个两轴的 电动座椅的直流有刷电机驱动方案 大家可以就是见到就是 它有一个最基本的那个前后上下的 这样两个轴上面的直流电机的一个驱动 那 TIDA01389 它是一个非常小型化的天窗的驱动方案 它还包含了当中的霍尔的应用 TIDA00901 那么他是一个 BLDC 也就是无刷电机的驱动参考方案 12 伏 200 瓦 另外的话那个我们刚才所提到的 也就是继电器替代 用我们的那个模拟电机驱动 IC 去替代继电器的这样子一些内容的话 我们已经那个发布了一个 SLVA837 这样一个应用笔记 在当中有提到刚才我们所介绍的 比方说像寿命 PWM 控制集成性这样几个点 还有一些更多的一些实例 和那个一些参数的一个说明 大家在有兴趣的时候也可以去 用这个 SLVA837 的号 去在 ti.com 上面去搜索这篇应用文档 然后更多的了解就是用 模拟 IC 去取代继电器的一个方式