一、方案描述
大聯大世平集團針對新能源電車 800v 平台架構，推出基於 e-Compressor 空壓機應用方案。此方案主要由 Flagchip 的 MCU FC4150，NXP 的汽車安全系統基礎晶片(SBC) FS23，安森美的 IPM 模塊、PSR DC-DC 器件，聖邦微的 OPA，納芯微的隔離器件組成。用作驅動空調壓縮機，符合ASIL-B 功能安全等級。
硬體設計說明:
1. 主控
採用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A，使用高性能的 ARM Cortex-M4 為內核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達 150 MHz，內置高速存儲器，豐富的 I/O 埠和多種外設。
FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示：
2. IPM
電機驅動部分，方案採用集成預驅與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來做電機的電子換相控制。晶片採用的是 Onsemi 的 NFVA23512PN2T。NFVA23512PN2T 內置 3 個高速半橋高壓柵極驅動電路，集成了（1200V/35A）低損耗的 IGBT 管，內置高邊自舉二極體，最大支持 20Khz 的 PWM，死區最小時間為 2us，還提供多個模塊保護功能，包括欠電壓鎖定、過電流鎖定、驅動與集成電路的溫度監測和故障報告等，為汽車電機應用提供了一個全功能、高性能的逆變器。
NFVA23512PN2T 框圖如下圖所示：
3. 電源設計
低壓電源供電部分,分為兩路，第一路採用反激隔離式 DC-DC 向 IPM-15V 與隔離器件的 VDD1 供電，另外一路採用 SBC 對 MCU 供電，並實時監控反激隔離式 DC-DC 的輸出電壓狀態。
MCU 電源部分，採用了一顆帶有功能安全的電源管理晶片(ASIL-B)，它是恩智浦 的 FS2300 ，FS2300 具有多路 LDO 輸出，另可選 BUCK 或外置 NPN 三級管的穩壓器型號，可為 MCU、SENSOR、外設IC和通信接口供電。FS2300 的監控診斷包括喚醒輸入、看門狗、復位、中斷，以及對電路診斷後的失效輸出等，並內置 CAN、LIN 模塊，這顆 FS2300 & FC4150 通過 SPI 通信，在系統運行時提供潛在的故障監測輸出，以提供增強的安全特性。
FS2300B 框圖如下圖所示：
IPM 電源部分，採用 onsemi 的 NCV12711ADNR2G，它是一款固定頻率峰值電流模式 PWM 控制器，適用於隔離式 DC-DC 拓撲結構。該器件在 4V 至 45V 範圍內工作，無需輔助繞組。控制器包含可編程振盪器，可在100 kHz 至 1 MHz 範圍內工作，並集成斜率補償以防止次諧波振盪。此外，控制器還包括可編程軟啟動、輸入電壓欠壓鎖定保護和過功率保護（OPP）電路，可限制輸入電壓增加時電路的總功率能力。UVLO 引腳還具有關斷比較器，允許外部信號禁用開關，並將控制器置於低功耗狀態。NCV12711 還包含一系列保護特性，包括逐周期峰值電流限制、平滑頻率增加和基於定時器的過載保護。所有保護特性都會將器件置於故障模式，並具有 1 秒的自動恢復周期，以便在故障條件消除時允許系統恢復。
NCV12711ADNR2G 框圖如下圖所示：
4. 數字隔離器
數字隔離器部分，方案採用納芯微的車規級 NSI8220W0 來傳輸 PWM 信號、反饋 VFO、LDO_PG 信號。NSI8220W0 的其特點如下：
- 電源電壓 2.5V-5.5V
- 傳輸速率 150Mbps
- 共模瞬變抗擾度 250kV/us
- 傳播延時 15ns
- 絕緣耐壓等級可選 3.5kVrms、5kVrms
- AEC-Q100 1 級認證
5. 電壓採樣隔離器
電壓採樣部分選用納芯微的 NSI1311來採樣母線電壓、IPM 溫度信號。NSI1311的其內部框圖與特點如下：
- 電源電壓 2.5V-5.5V
- 輸入電壓範圍 0.02-2V
- 輸入失調電壓 ±1.5mV
- 放大倍數 1
- 輸入阻抗高達 1GΩ
- 帶寬 300kHz
- 共模瞬變抗擾度 150kV/us
- 絕緣耐壓等級5kVrms
- AEC-Q100 1級認證
6. 電流採樣隔離器
電壓採樣部分選用納芯微的 NSI1300D25來對 IPM 的底邊管進行電流採樣。NSI1300D25的其內部框圖與特點下：
- 電源電壓 2.5V-5.5V
- 輸入電壓範圍 ±250mV
- 輸入失調電壓 ±0.2mV
- 放大倍數 8.2
- 帶寬 310kHz
- 共模瞬變抗擾度 150kV/us
- 絕緣耐壓等級5kVrms
- AEC-Q100 1級認證
7. OPA
運算放大器部分，方案採用聖邦威的車規級 SGM8557H-1AQ 來對電壓、電流採樣隔離器輸出的差分信號轉化為單端輸出供 MCU ADC 外設採樣。SGM8557H-1AQ 的其特點如下：
- 電源電壓 2.7V-5.5V
- 輸出驅動能力高達 230mA
- 軌至軌輸出
- 輸入失調電壓 15uV
- 15MHz的增益帶寬和7.5V/us 的壓擺率
- AEC-Q100 1 級認證
方案原理圖：
1.MCU 板
2.高壓電機驅動板
PCB Layout：
1. MCU 板
2.高壓電機驅動板
軟體設計說明:
方案軟體部分採用世平 Sensorless FOC 雙電阻採樣的軟體庫架構，通過板載電位器給定速度命令使電機旋轉。軟體採用雙環控制（電流環+速度環），矢量控制的框圖如下圖所示：
1. SVPMM
空間矢量脈寬調製（SVM）是 FOC 的基礎，是根據其所在扇區選擇非零矢量與零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式開關次數較多，但諧波較小；五段式開關次數是七段式的一半，但諧波較大，代碼採用的是七段式。其實現流程大致如下：
① 判斷合成矢量所在扇區
② 計算相鄰矢量作用時間
③ 計算各橋臂導通時間
④ 得到各相 PWM 占空比
⑤ 更新相應寄存器值
2. Current Sensing
在電流環，軟體中的電流採樣選擇雙電阻採樣，通過採樣 V 和 W 相的下橋臂電阻上的壓降，再用基爾霍夫電流定律計算第三相（U 相）的電流。
3. FC4150 外設間的相互配合
在 FOC 控制中 FTU 需要產生中心對齊的 PWM 信號，在重新裝載計數值時，FTU 支持產生重新裝載的觸發信號用於通知 2 個 PTIMER 開始計時，當 PTIMER 計時到 PWM 的中心點時，PTIMER 產生觸發信號通知 ADC 進行採樣，採樣完成後發生 ADC 中斷得到三相電流，FOC 算法函數開始計算下一周期各個通道的 PWM 占空比，從而完成對電機的磁場定向控制。
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如有更多需求，歡迎聯繫大聯大世平集團 ATU 部門：atu.sh@wpi-group.com 作者：Memory
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►展示板照片
►方案方塊圖
►核心技術優勢
1、FS23 (SBC) 與 FC4150 (MCU) 組合符合 ASIL-B 功能安全要求標準 2、SBC FCCU 硬體監控 MCU 故障，同時 Watchdog 進行 MCU 存活監督，確保系統失效安全保護 3、提供全功能的電機軟硬故障保護、過流、過欠壓、堵轉、缺相、過溫等 4、提供軟體 demo 算法、如高頻注入、死區補償、滑模觀測器、FOC 等 5、提供硬體參考設計，加快產品快速開發
►方案規格
1、高壓側輸入電壓範圍: 460VDC~860VDC 2、低壓側輸入電壓範圍: 8VDC~18VDC 3、MCU: ARM Cortex-M4 32-bit 內核，主頻高達 150MHz ，ASIL-B 功能安全等級 4、支持 CAN 、LIN 通訊 5、支持 2/3 Shunt R 三相電流採樣 6、支持過壓、過流、過溫防護 7、板載電位器支持速度調節 8、具備 LED 指示燈 & UART 調試接口 9、開發板尺寸 : MCU 板70 * 40 mm ，電機驅動板 150 * 135 mm
