为何还在使用继电器驱动汽车电机

作者：Phil Beard

随着汽车电气系统中更小更智能的集成电路（IC）的出现，是时候开始正视房间里的“大象”了：为什么我们仍然使用继电器控制汽车天窗、窗玻璃升降装置、电动锁、后行李箱盖提升装置、记忆座椅、压缩机以及车上的各种泵？虽然，继电器价格亲民且易于设计，但是由于它们的使用寿命有限且体积较大，因此它们的功能对于现代电机应用来说稍显笨重。对于一个安静、小型而安全的解决方案而言，固态IC是汽车电机控制应用的最佳选择。

解决方案尺寸

让我们比较两种解决方案，如图1所示的是具有相同的电压和电流额定值的典型继电器解决方案及等效固态解决方案。

图1：继电器解决方案与固态解决方案

仅针对解决方案尺寸，固态8mm×8mm四方扁平无引线（QFN）和两个双封装N通道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）约占继电器解决方案电路板面积的三分之一。再看z轴，整个固态解决方案约0.9毫米，或0.035英寸高。如果要构建刚好适合安装在电机外壳背面的电机驱动器印刷电路板（PCB），TI的固态解决方案则非常适合此应用。

除了尺寸外，固态栅极驱动器还集成了一整套保护功能，否则必须在继电器解决方案中离散构建。这些功能包括：

电机电流测量

对于任何类型的电流调节，继电器和固态系统都需要一个分流电阻。继电器解决方案需要单独的分立放大器电路来增加在检测电阻两端测量的电压。然后将增加的电压发送到微控制器（MCU）模数转换器（ADC），以便MCU中的数字逻辑可以决定何时关闭电机或限制电流。但是固态电机驱动器通常集成了低侧分流放大器，因此您需要的唯一的分立元件是单个电流检测电阻。图2所示为集成电机驱动IC和分立电流测量电路拓扑结构之间的差异。

图2：离散与固态电流测量

TI的电机驱动器使电流调节更进一步，并使用连接到集成电流检测放大器输出的内部比较器来整合逐周期电流斩波方法。所需要的是一个外部参考电压，器件将处理电流限制，释放原来用于MCU或离散建立的资源。虽然放大器的输出仍然与封装管脚相关，但如果您只需要一定程度的电流调节，请考虑一个完全集成的解决方案，如DRV8702-Q1或DRV8703-Q1。

连接到MCU

当将继电器和固态解决方案连接到MCU时，固态IC通常可以实现MCU通用输入输出口（GPIO）和模数转换器（ADC）管脚之间的直连。这些IC通常具有足够的灵活性，可与1.8、3.3或5V逻辑电平连接，其带有参照接地的高阻抗下拉电阻。为了使继电器解决方案实现类似的输入控制，某种电流增益需要控制继电器内部的螺线管线圈。图3所示为将继电器和固态驱动器与MCU连接时，在电路拓扑结构中的差异。

图3：连接至MCU

图3中的继电器解决方案概述了需要NPN型双极型结晶体（BJT）的达林顿对、两个电阻和一个保护二极管，以将继电器线圈直接与一个MCU GPIO管脚连接。为了创建H桥并驱动双向电机，将需要两个双封装单刀双掷[SPDT]继电器，这意味着需要上述中两倍的电路元件来独立驱动两个继电器线圈。使用TI的一款电机驱动器，可以移除所有这些分立元件，从而创建一个更小、更清洁的PCB解决方案。

电机速度曲线

带继电器的电机速度曲线效率极低。设计人员使用与电机串联放置的不同尺寸的电阻器或具有不同速度的多绕组电机，可为电动窗、升降门、天窗、滑动门或带继电器的泵实现多速度控制方案。如果您想选择不同的速度，这两种解决方案都需要使用更多的继电器，而这意味着将会增加电路板空间和分立元件。

使用固态解决方案，您只需要为TI的电机驱动器提供来自MCU的两个脉冲宽度调制（PWM）信号来控制电机转速。在DRV8702-Q1和DRV8703-Q1上，TI提供了PH/EN模式，其中只有一个PWM信号施加到使能管脚，而简单的逻辑高或低相位管脚控制电机的方向。逻辑电平PWM信号直接转换为具有正确电压的MOSFET栅极，以完全增强高侧或低侧MOSFET。使用此类型的接口，您可以快速设计多级泵、滑动玻璃天窗的定制运动轨迹、软关闭电动窗、经济的变速挡风玻璃刮水器或任何其他类型的简易运动控制电机应用。

相关参考设计

小尺寸天窗电机模块参考设计是一款用于天窗和窗玻璃升降装置应用的固态电机控制模块。该TI参考设计使用集成了分流放大器以及两个双封装汽车级封装MOSFET的 DRV8703-Q1栅极驱动器，以创建与典型的继电器解决方案相比，极小的功率级布局。该设计还包括两个TI的DRV5013-Q1数字锁存霍尔效应传感器，用于对电机位置进行编码。

使用TI的一款固态电机驱动器设计电机控制系统将有助于减小PCB解决方案的尺寸，从而允许从同一模块控制越来越多的电机。凭借TI的电机驱动器的高集成和简易控制方案，设计人员可快速、轻松地重新设计当前正在使用继电器的大多数现代带刷直流电机控制器电路。

其他信息：

• 有关更多固态电机驱动器参考设计，请参阅TI参考设计库中的相关参考设计：

• 汽车12V 200W（20A）BLDC电机驱动参考设计。
• 汽车2轴电动座椅带刷直流电机驱动参考设计。
• 汽车HVAC多风门执行器/阻尼器直流电机驱动器参考设计。
• 有关汽车电机驱动器产品的更多信息，请参见DRV8703D-Q1、DRV8703-Q1和DRV8305-Q1的产品页面。
• 阅读更多有关汽车HVAC风门执行器的博文。