汽车本地网络的机电一体化解决方案

摘要：  汽车制造商致力于在每种新的汽车设计中扩大电子控制的使用。在崇尚实用和经济的汽车市场上，相对于机械系统，电子控制的优势在于由更简易快速的装配实现成本降低，而重量的减轻则大大减少了燃料成本。品牌汽车的重点在于提供先进的功能并提高乘客的舒适度，让产品与众不同，并保证利润。

汽车制造商致力于在每种新的汽车设计中扩大电子控制的使用。在崇尚实用和经济的汽车市场上，相对于机械系统，电子控制的优势在于由更简易快速的装配实现成本降低，而重量的减轻则大大减少了燃料成本。品牌汽车的重点在于提供先进的功能并提高乘客的舒适度，让产品与众不同，并保证利润。

这种趋势要求对汽车装配线的基础设施进行根本改变，例如重新设计。传统的点对点配线方式，由于电子子系统数量不断增加，会很快变得沉重而复杂，难以承受。

更重要的是，与大量制动器的中央控制有关的软件开发工作变得尤其复杂和费时，这就要求设计师开发出可靠的软件。另外，中央控制器和单独的子系统之间复杂的信号联系，例如对大量电子电动机的PWM控制，会导致高度电磁辐射，造成困难的辐射抑制，这在汽车整体基础上解决将会非常昂贵。

将更多智能转向单独的子系统，会减少很多汽车配线和信号传输，也会减少汽车中央控制器负荷。验证和确保软件能够运行多个功能组合是一个冗长的过程，需要花费很多工程设计时间。另外，不同种类的电缆树的开发、制作和安装，以及为每一个电机进行的额外的点对点配线，会很快带来更多重量和成本。由于控制板和电机之间高密度的信号传输，电磁辐射也会开始增多。

另外一个模块化和容易实现的解决方案，是将数码控制融合到一个单片集成或多芯片电机驱动器。增加或减少一个电机变得更加容易，只需要相应增加或减少电机驱动器芯片或模块。然而，这需要改变板块设计，这个解决方案没有减少控制板和电机阵列之间配线的复杂性。因此，如果要解决成本和电磁问题，就需要另外的解决方案。

将更多智能向电机点转移，采用电机一体化模块，这个模块包含接口、控制器和驱动器以及电机本身组成一个独立的单元，如图1所示。

图1 电机一体化模块示意

这样可减少控制板的装载量，只包含处理器和一个总线接口，就像三线LIN总线那样。LIN已经被汽车电子集成商广泛使用，以减少汽车配线的复杂性和信号传输。作为一种业界标准的互连解决方案，可以采用标准的LIN接口以及模块内部的控制和驱动功能，来支持大量的机电一体化模块在汽车上应用。

额外增加一个电机，只需简单地将电机作为一个完整的机电一体化模块连接到总线上。这不仅解决了软件复杂性、EMI和分级性，而且允许汽车模块供应商向汽车制造商客户交付“现成套装”模块。因此，电子系统的集成变得更加直接，为新车型和现有车型的改进获取市场利益创造宝贵的时间。子系统销售商也可以创造新的功能，将IP嵌入到模块中去，这样就能实现与众不同，并且保护他们在产品开发中的投资。

通常和LIN网络连接的汽车电子模块包括安装在门上的车窗、门镜和门锁的驱动、电子座椅调节、顶灯定位系统、温度控制电机和风扇。大多数这些应用都要求在一维或几维内进行控制。为了实施一个机电一体化解决方案，系统集成商不仅需要成熟的LIN接口IP，还需要带有集成电机驱动功能的可配置电机控制、CPU和存储子系统的集成，以及适用于汽车额定电压的电力电子技术。[#page#]

图2显示集成了总线接口功能块和机电一体的电机控制器解决方案。LIN接口接收高电平的电机驱动和位置命令。智能电机驱动功能使必要信号从一个电机移动到另一个电机。具体的执行可能需要一个状态机、微步进电流查找表和电流控制器，能够由设计者设置参数，以满足具体的系统要求。除了接口和控制功能，还必须使用其他的功能块，例如步进电机控制所需的稳压器、电荷泵以及电机驱动MOSFET。一个智能的电力技术，可以将所有这些模块合并成单个集成解决方案，快速地集成到电机组件中去。

图2 电机控制器解决方案示意

这种方式也可以在硬件中采用更加复杂的电机控制功能，例如电流整形。如果独立设计出一种步进电机控制器，设计者通常会希望采用他们自己的电流整形来支持微步进“向前”、“慢速衰减”、“快速衰减”和“混合衰减”模式。另外一个对步进电机操作有关键影响的设计是确定PWM频率。如果频率设定过高，就有可能导致过热。另一方面，如果频率过低，驱动器就会产生可听见的噪音。设定合理的频率取决于包括供应电压、常用电流和操作温度在内的操作条件。如果应用的是汽车机电一体化模块，这些都可以精确地得到预测。假定典型值，计算出一个最佳PWM频率约为22kHz。因此，在硬件中固定PWM频率是可行的，这样能节省外部的器件。其他在硬件中可能有用的功能，如可以最大化可靠性、减少组件数量以减少外部二极管或肖特基器件装置，以及片内电流感测都集成在一颗芯片中。片内电流感测允许单片集成控制器IC独立回应命令，该命令由设定电机电流的LIN总线接收。

通过在硬件中采用必要的步进电机控制，图中显示的电容成了唯一需要的外部元件。对电子子系统的销售商来说，这个流线型硬件集成减少了软件设计，允许开发者集中精力在应用设计层面上，增加独特功能和成本效益。AMI已经采用这种方法，为LIN连接的汽车机电一体化模块设计了一个单芯片步进电机控制器。

AMI3062x就是一个使用AMI的智能功耗技术，即智能接口技术(I2T)制造的单芯片集成IC。I2T可以在一个单独的IC中实现低压、中压和高压电路集成、高精度模拟电路、非易失性存储和一些中等复杂的数字电路。如图3所示，在这个器件中，两个H桥MOSFET驱动器，都使用了40V的低漏-源电阻RDS (ON)晶体管，能够满足高达800mA的电机电流要求。

图3 AMIS-3062X内部电路示意

支持智能功耗技术的开发工具，也让工程师有了足够的灵活性来设计定制的电机控制总线命令。这些可以用于加速应用开发，以及减少总线的内部信号传输。[#page#]

使用标准产品的机电一体化

需要更高电机驱动要求的模块，可能需要额外的外部MOSFET，可能会使用I2T集成的MOSFET作为前级驱动。另外，一个要求更复杂的信号传输的模块可能需要一个微处理器。使用标准的8、16或32位处理器，结合基于标准数字组件和电力电子的智能电力或分离解决方案是另一种选择。

更高程度的集成和智能

另一方面，片上系统(SoC)解决方案提供了最大的可靠性、组装简便性、更低成本的材料和供应的连续性。需要一种能够支持嵌入式微处理器、高精度模拟的复杂数字电路和高压功能的工艺。例如，BCD (Bipolar CMOS DMOS)工艺允许用数字CMOS 电路集成微控制器核、芯片内存储以及采用半桥或全桥高压电机驱动器的独立DMOS 晶体管。BCD工艺的优点，包括最大的DMOS晶体管的额定电压，以及芯片内存储器和处理器内核的容量。为了达到14V和将来42V的汽车电子供电标准，DMOS晶体管就应该调整到80V。

一个例子是，AMI的BCD工艺采用了0.35mm技术的数字CMOS电路，能够使用一系列内核为32位的复杂处理器，例如ARM7TDMI。还有OTP存储器，用于代码存储的64kByte嵌入式闪存和/或1 kByte的数据EEPROM。芯片内高精度模拟电路，包括光带隙基准 、ADC和DAC，以及包括LIN控制器在内的数字IP，能够简化一级供应商的开发过程。

多芯片模块解决方案

另外，制造多芯片模块、综合使用智能功耗、数字和模拟技术，让设计者获得更多自由度，能够创造出适用于复杂的多维解决方案的、拥有更大存储容量更灵活的处理子系统。还可以使用更小的设计规则来制造CPU子系统，虽然需要更高的工艺成本，但更小的芯片尺寸也能减少实际成本。

然而作为机电一体化模块的一部分，组装一个多芯片解决方案不是一件简单的事情。为了满足汽车质量和可靠性标准，需要采用严格控制的系统封装 (SiP)技术，它是QS9000认证的封装。因此，系统集成商必须在多芯片方式更大的灵活性和可靠性风险、更多的SiP开发和组装之间取得平衡。

散热对系统分割和封装的影响

特定机电一体化解决方案的最佳配置，必须将电机产生的热量、RDS(ON)产生的热量以及电机驱动器功率 MOSFET内部的开关损失考虑在内。

因此单芯片集成的使用，会使包括MCU和存储在内的数字电路超过制造商建议的最高工作温度。一个潜在的解决方案是提高数字工艺的工作温度。另一方面，使用更先进的封装技术，通过对隔离的DMOS晶体管的散热，消除热量在SoC衬底中的积累，也可能会有效防止过高的温度毁坏数字电路。在实际应用中，两种技术结合使用可能会更有效。

结语

对于想要提供独一无二的使用价值的子系统开发商和希望加快进入市场速度、节约成本和增加新车型卖点的汽车制造商来说，机电一体化解决方案与汽车LIN总线基础设施对接有很明显的优点。结果是，全球的汽车买家都能够得到更大的可靠性、驾驶/使用更加便捷和更有乐趣的更多板上电子功能，以及更快的新车型更新速度。

为了采用机电一体化模块的电子控制功能，有几个技术解决方案可以使用。需要考虑的主要问题是性能要求、成本、灵活性、可靠性和散热性能。首先，关键是要选择一位精通这些适用技术的专家级合作伙伴，使用最合适的架构来满足整体的系统要求。

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