背景介紹
智能化和電動化是新能源汽車發展的重要方向，其對電能的需求也越來越高。除此之外，因為電池的重量，整個車比純燃油汽車更重，這使設計者不得不增加車身執行器的功率來提供更大的扭矩。但傳統的12V電池受限於電流和電池電量等原因，不能為整車提供無限大的電流。所以如同整車低壓供電電壓升到12V一樣，它還在繼續往上升，邁向48V，從而為整車提供更大的功率輸出和更高的能效。故越來越多的汽車廠家開始關注48V系統執行器的驅動。
系統拓補圖
為此，英飛凌在多年前開始布局研發48V的相關晶片。考慮到目前成熟的針對12V BLDC高性價比控制平台MOTIXTM MCU，英飛凌開發了level shift 晶片TLE9140。它也是gate driver器件，相當於直接替換了12V BLDC電機控制高集成晶片TLE987x和TLE989x的gate driver 部分，從而使他可以上升到48V BLDC電機驅動。該方案的另一個好處是客戶可以復用他們成熟的12V BLDC電機控制平台，降低開發難度，縮短開發周期，一個平台兼容12V，24V和48V電機驅動。
MOTIXTM MCU
MOTIXTM MCU系列屬於SoC (System on Chip) 級產品，集成了MCU，LDO，gate driver，電流採樣和LIN收發器等模塊。針對BLDC電機控制，推薦TLE987x和TLE989x系列，其內部框圖如下所示，前者是針對LIN通信方案，後者是針對CAN通信方案。詳細的信息和文檔，可以在英飛凌官網搜索TLE987x/TLE989x，或者直接訪問：www.infineon.com/tle987x或者www.infineon.com/tle989x。
TLE987x內部結構圖
TLE989X內部結構圖
48V系統Gate Drive
TLE9140是專門針對48V BLDC電機驅動設計的gate driver晶片，同時兼容24V系統，可以支持功能安全ASIL B級別應用。除此之外，設計上考慮了匹配英飛凌MOTIXTM MCU。其耐壓高達100V，驅動能力高達230nC，最大驅動頻率25kHz。先進的電流型gate driver可以幫助用戶通過修改寄存器配置，從而非常方便地修正驅動波形，以匹配不同的MOSFET，無需修改硬體。除此之外，支持過壓，欠壓，過溫，短路，開路，輸入錯誤等故障檢測。還配備了窗式看門狗，進一步提高系統安全性，確保軟體死機的情況下，及時關斷輸出。16位SPI通信配置控制寄存器和通過狀態寄存器獲取晶片當前狀態和故障。詳細信息可以訪問英飛凌官網: www.infineon.com 並搜索“TLE9140”。
TLE9140內部結構圖
48V系統MOSFET
功率器件部分，英飛凌有非常全面的MOSFET的選擇。在OptiMOSTM 5的基礎上研發了新一代OptiMOSTM 7 溝槽MOSFET。針對48V應用，可提供80V和100V 兩個電壓等級。新一代OptiMOSTM 7的MOSFET採用尖端的雙多晶矽溝槽技術以及業界領先的300mm薄晶圓技術與生產，如下圖所示，80V和100V的MOSFET導通電阻相比於前一代有40%的降低，遵循了英飛凌低RDSON ,低導通損耗的發展宗旨。除此之外，新一代技術的MOSFET 具有更小的門極充電電荷，開關速度更快，降低了開關損耗。這兩大特點在電機驅動的應用中優勢較為明顯。
英飛凌OptiMOSTM 7也遵循明確的封裝策略，將無引腳封裝結合銅夾技術推向市場，為滿足48V電機驅動的應用，80V和100V MOSFET包括了市場電機驅動需要的熱門封裝：除了S3O8, SSO8單MOSFET, STOLL，TOLL封裝，另外還有100V SSO8雙MOSFET, 不同的封裝，不同的導通電阻，不同的電壓等級可以適用於幾十瓦到幾千瓦不同的功率等級，完美地滿足了客戶的各類需求。具體選型表可以訪問英飛凌官網，並搜索“Automotive MOSFET”
角度傳感器
雖然無傳感器控制，可以幫助客戶在有些應用降低成本，例如水泵和冷卻風扇。但在一些應用中，為了更精準的控制，客戶會用到電機轉子位置傳感器，例如油泵。英飛凌位置傳感器主要包括霍爾開關和磁阻角度傳感器。
霍爾開關的產品系列中，我們既為電池供電的設計提供了過壓能力高達42V（不加外部電阻的情況下），支持32V供電的TLE4961/TLE4964/TLE4968系列；也為EMC工況較好的設計提供了高性價比5V供電的TLE4963/TLE4965系列。用戶可以根據實際系統設計和磁場需求選擇合適的型號。詳細信息可以訪問英飛凌官網，並搜索“magnetic switch”。
英飛凌霍爾開關和鎖存器的產品序列
英飛凌還提供了各種基於磁阻效應（GMR，AMR，TMR）的角度傳感器。我們既提供了計算完角度直接輸出數字量信號的傳感器TLE5012B/TLE5014，也提供了輸出sin/cos信號的模擬量輸出的傳感器TLE5x09/TLE5501。對於精度的改善，TLE5012B內部帶自校準算法；TLE5014內部帶32點查找表補償；TLE5x09和TLE5501的補償算法可以集成在客戶的MCU內，從而降低系統成本和實現更高的精度。客戶可以根據實際需求選擇合適的產品，詳細信息可以訪問英飛凌官網，並搜索“angle sensor”
英飛凌基於磁阻效應的角度傳感器搭配磁鐵的位置關係
英飛凌基於磁阻效應的汽車級角度傳感器的產品序列
評估板及系統方案驗證
針對本文介紹的48V車身電機系統級驅動方案，英飛凌開發了對應的評估板，實物圖如下所示。詳細信息可以訪問英飛凌官網，搜索：TLE9140EQW EVAL。
我們基於該評估板，在電機測試台架上，進行加載，運行，做了初步測試，視頻如下：
電流波形
總結
英飛凌針對48V車身電機驅動提供了系統級解決方案，包括，MCU，driver, MOSFET和sensor。有相關需求的客戶或者合作夥伴，可以聯繫英飛凌諮詢或在官網留下你的聯繫方式。
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