技术文章｜集成式有刷直流解决方案如何减小汽车电机尺寸、增强保护并简化设计

德州仪器 2022-07-01 18:30

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有刷直流电机控制简单、成本低廉且功能多样，非常适合需要集成式大功率可靠电机驱动器的汽车负载，比如车窗升降器、天窗控制、门锁、锁存器和发动机阀门。

如果您正在设计汽车系统，可能会同时面临器件级和系统级挑战，包括尺寸限制、故障条件，以及设计重复使用以缩短开发时间的需求。因此，本文将详细分析这些挑战并提供相应解决方法。

采用完全集成式高功率密度电机驱动器减小系统尺寸

设计成本优化型汽车系统时，需着重考虑减小系统尺寸和节省布板空间。减小封装尺寸并将功能集成至有刷直流驱动器，可减少外部元件数量，从而节省布板空间并降低成本。

设计小型系统时，应考虑以下改进方法：

小型封装尺寸 — 对于高功率密度解决方案，请使用具有高电流能力的小型封装尺寸。DRV8243-Q1 系列推出了汽车类 HotRod 四方扁平无引线封装，尺寸下限为 3 mm x 4.5 mm ，是同类产品中用于有刷直流驱动器的超小封装之一。
集成电流检测 — 采用内部电流调节和电流反馈引脚，无需外部电流检测电阻器，从而节省布板空间并降低成本。
集成式场效应晶体管 (FET) 解决方案 — DRV8243-Q1 系列可驱动高达 32A 的 H 桥峰值电流和 46A 半桥峰值电流。采用支持中高电流的集成式解决方案，无需使用栅极驱动器和外部 FET，可节省布板空间并降低成本。电流能力取决于印刷电路板设计和环境热条件，因此，请务必查看我们的瞬态热计算器，了解您的系统所能驱动的电流值。

使用更小的封装（如图 1 所示）并尽量减少外部元件数量，可减小电路板尺寸并降低物料清单成本。

图 1：DRV8245-Q1 器件系列尺寸比较

可靠解决方案的保护和诊断功能

从电动后备箱门到燃气发动机阀门的各种应用中，电机驱动器都扮演着重要角色。因此，设计出能够检测并防止各种故障情况的可靠解决方案十分必要。

DRV8243-Q1 器件系列是首批在电机驱动器处于开启和关闭状态时都能提供开路负载检测和短路保护的器件。图 2 所示为器件离线保护功能如何使用连接到 H 桥的无源电阻器网络在启用 FET 之前检测系统问题。即使 H 桥处于关闭状态，该功能也有助于避免电机驱动器发生损坏或出现异常行为。

图 2：DRV8243-Q1 的关闭状态诊断

离线诊断有利于保护电机驱动器免受系统其他部位所发生故障的影响，避免整体磨损。如需了解更多关于 TI 离线保护功能如何保护汽车系统的信息，请参阅应用手册“电机驱动器中的开路负载检测”。

串行外设接口选项提供详细诊断，旨在确认故障的类型及发生位置，通过提供电机驱动器故障的问题根源，可节省设计人员解决问题的时间。

采用可扩展驱动器优化设计

电机驱动器驱动汽车中的各种负载，比如继电器、电磁阀和电机。有时，这些负载全部汇集于同一应用，比如车门模块或车身控制模块。

DRV8243-Q1 系列的 H 桥和半桥驱动器支持设计重复使用，可在汽车系统中扩展不同负载。该器件系列具有相似的固件、功能和封装引脚排列，支持在各种负载和电流范围内重复使用，有助于缩短设计时间。用于独立模式时，H 桥驱动器可驱动两个单向有刷直流电机、电磁阀或继电器，无需两个独立半桥驱动器；如图 3 所示。