旋智科技丁文、许烁：车载12V直流无刷（有刷）电机控制芯片应用详解
发布日期:2024-01-03
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集微网消息，随着汽车电动化、智能化和网联化的蓬勃发展，单车三电部件数量也在快速增长，以电机为例，除了主驱电机，在非牵引相关功能如热管理中的风扇、水泵、油泵，以及车身相关的车窗、天窗、雨刮、电动踏板和电动侧滑门、座椅调节等场景也广泛应用了各类直流无刷和有刷电机。
这类通常由低压12V网络供电的使用场景，往往对方案BOM成本、重量体积、转换效率等有极高要求，因此电机控制上已逐渐形成将MCU、预驱、电源管理LDO和总线收发器集成到单芯片的主流方案。
显而易见，电机控制芯片前景广阔，有望在汽车行业实现市场价值和规模应用最大化，但过去两年也经常排在芯片缺货清单的头部。
1月31日下午14点，集微网举办第60期“集微公开课”活动，特邀旋智电子科技（上海）有限公司（简称旋智科技）销售副总经理丁文和资深汽车应用FAE许烁，为大家分享主题为” 应用于车载12V直流无刷（有刷）电机的内置N-FET预驱微控制器”的在线直播讲解，以阐述该产品的技术知识、解决方案和旋智科技研发的核心功能特性。
源出半导体产业“西点军校”
丁文先生首先向观众简要介绍了旋智科技发展历程，该公司前身是大名鼎鼎的仙童半导体公司电机产业线事业部，于2014年底通过MBO方式剥离独立运营，目前在上海、深圳、青岛、香港等地都设有分支机构，公司专注于高集成度电机控制芯片及先进核心算法的研发，创始核心团队成员大都在世界顶级半导体企业有多年研发、市场和管理经验。
独立以来，旋智科技已经成功量产两代电机控制芯片，大批量应用于白电和工控领域，凭借芯片IP、算法核心技术优势带来的产品差异化能力，接连打入了大疆、九号Segway、格力、美的、海尔、博世、EBM等国内外头部客户供应链，大客户出货量已累积近6000万颗。
近年来，旋智科技同样积极布局车规级产品，其高集成度车规级电机控制SoC产品经过多年开发测试和打磨，在2022年底也已经正式进入了量产送样阶段。丁文透露，旋智科技在汽车电子功能安全和质量可靠性上有透彻理解和丰富经验，即将获得ISO26262 ASIL-D体系管理认证。
丁文表示，汽车12V直流电机主要可划分为热管理、车身、底盘等应用场景，驱动方案也各有不同。如后视镜、座椅调节等多电机控制场景，驱动方案通常是MCU搭配多路半桥驱动，而单电机场景则需进一步按功率大小划分，小功率场景如风门、水阀、座椅通风等可选用all-in-one的单芯片方案，Melexis、TDK等海外品牌目前较为常见，而随着功率逐渐增大，在中等功率场景，如水泵、油泵、鼓风机、散热风扇、雨刮、车窗、侧滑门以及激光雷达等，经常采用SoC搭配MOS管的方案。在大功率的单电机场景，例如EPS和刹车等，一般采用分立方案，对芯片的功能安全等级要求较好，且系统设计上需要进行冗余。
瞄准快速增长的中功率单电机控制场景，旋智科技的SPD1179提供了极具竞争力的车规级国产解决方案。
SPD1179新特性
旋智科技资深汽车应用FAE许烁，为观众进一步讲解了SPD1179的技术特性与参考设计。
根据许烁介绍，SPD1179主要应用场景有风扇类，泵类三相无刷直流电机和车窗、天窗、雨刮类有刷直流电机H桥型控制的应用场景，已经处于这个量产送样阶段，计划在今年三季度量产并取得SIL-B/AEC-Q100双重认证，可用于替代英飞凌TLE989x/8x/7x/6x/5x、恩智浦S912ZVMB/L/C、迈来芯MLX81340/4/6等主流产品。
许烁表示，SPD1179由MCU和高压模块合封，封装规格为QFN48/QFN56，采用配备浮点运算单元的32位Cortex-M4内核，最高主频达100MHz，片上最大提供128K Flash+32K RAM的存储空间，附带1KB EEPROM，电压工作范围可达5.5V-40V，同时支持LIN，CAN/CANFD车载专用标准协议。
SPD1179还内置单端运放和差分运放，单端运放可用于母线电流采样，差分运放用于相电流采样及重构，具有完善的硬件保护机制，可确保电机驱动过程中的快速保护，ECAP（增强型脉冲捕获模块）具备Dual-pin模式，可以同时计算不同输入引脚信号的频率及占空比，定时器具备gate等多种模式，可以通过外部GPIO电平或边沿信号来控制定时器的使能计数，产品还支持ISP模式下通过UART或LIN接口下载烧录程序，高压模块基于电流型驱动，可编程配置驱动能力，MOS的控制更加灵活，使用VCP-based架构，省去自举电容，节省设计成本，高压MON引脚可通过ECAP捕获高压PWM信号，产品同时达到功能安全等级ASIL-B和AECQ100认证。
在总体梳理系统框图后，许烁又分别介绍了SPD1179电源管理、数模转换ADC、可编程增益放大器（PGA）、模拟比较器、相位比较器、PWM、预驱、VDS保护等功能模块特性。
如在电源管理模块，SPD1179采用5.5伏到40伏的单电源供电，内部集成5伏、3.3伏、1.2伏LDO，电流驱动能力分别为80毫安、50毫安和40毫安，支持三种电源模式（active、stop和sleep），具备电源域检测和过流、过压和欠压保护机制，系统整体上电时间小于5ms，可通过LIN, MON, cyclic wakeup, GPIOs等多种方式唤醒芯片。
基于功能安全需要，1179还内置电源监视模块，通过电源跟踪放大器将关键电源信号缓冲到13 位Monitoring ADC，用来监测电源状态。
SPD1179参考设计
众所周知，芯片厂商新产品往往需要配套参考设计方案，以降低下游用户开发门槛，加速上市，公开课尾声，许烁还向观众介绍了基于SPD1179的参考设计及配套软硬件开发工具链。
许烁表示，旋智科技提供的Demo板除了最小系统之外，还包括电源高边防反接及滤波电路、三相逆变桥电路、单电阻采样滤波电路、母线电流采样电路、外部PWM信号输入检测电路、LIN和CAN通讯电路等。
在三相逆变桥电路部分，SPD1179的电流型预驱架构，可省略掉驱动电阻Rg及外部自举电容CBOOT，在驱动MOS时，可直接由VCP供电，其电流驱动能力可通过寄存器灵活修改设置。
在单电阻采样滤波电路部分，流经采样电阻的电流信号经过简单的RC滤波电路后可直接输入到芯片端的DPGA输入引脚，在内部放大后，使用AD采样配合相关算法完成三相电流重构。
外部PWM信号输入检测电路在使用PWM占空比作为控制指令的应用场景里，可通过PWM输入检测电路将信号传递至芯片ECAP模块，以此计算出对应的频率及占空比。
母线电流采样电路则可对采样电阻信号经过偏置计算及较大RC常数的滤波后输入到芯片用于单端放大和采样。
LIN，CAN通讯电路方面，SPD1179内置CAN Controller，配合板载TJA1043/1044CAN Transceiver标准参考电路可实现CAN/CANFD通讯，板载LIN通讯参考电路具备LIN通讯能力。
关于开发工具链，许烁介绍旋智科技可提供代码烧录专用的算法Flm文件，也支持IAR和KEIL进行开发，调试可以通过这个JScope来观察内部变量，也可以通过高速接口将数据上传至Matlab进行分析，而Matlab的Simulink也可以用于电机控制算法设计。
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