Die Vorteile bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC) liegen auf der Hand und sie werden in vielen Anwendungen in Fahrzeugen und anderswo eingesetzt. Obwohl sie leistungsstärker, leichter und effizienter sind, sind sie jedoch teurer und erfordern eine komplexere Steuerung als Gleichstrommotoren mit Bürsten. Das bedeutet, dass für jede Anwendung innerhalb eines Fahrzeugs darüber nachgedacht werden muss, welcher Motortyp am besten geeignet ist. Generell gilt: Je seltener der Motor während einer Fahrt genutzt wird, desto größer ist der Nutzen eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors.
Abbildung 1: Es gibt viele Anwendungen für Motoren im modernen Automobil
In vielen Motoranwendungen empfängt ein Mikrocontroller (MCU) innerhalb des Steuergeräts Steuereingaben über CAN oder LIN. Diese Signale werden in pulsweitenmodulierte (PWM) Motorsteuersignale umgewandelt und zur Steuerung der Leistungsschalter (normalerweise) verwendet Mosfets Geräte), die den Motor mithilfe eines Gate-Treibers antreiben, um die Leistung zu erhöhen. Die MOSFETs sind als H-Brücke konfiguriert, die es dem Motor ermöglicht, sich in beide Richtungen zu drehen und mit PWM-Signalen die Geschwindigkeit des Rotors zu steuern.
Da kompakte und zuverlässige Designs erforderlich sind, sind integrierte Ansätze erforderlich. Die Integration der MCU und der Vortreiberstufe ist eine Option, obwohl die MCU-Software für die MCU getestet und sicherheitsgeprüft ist, sodass die Notwendigkeit einer Portierung und Neuzertifizierung der Software diesen Ansatz ausschließt.
Eine Alternative besteht darin, einen Motorsteuerungstreiber (MCD) zu verwenden, der den Vortreiber in die H-Brücke integriert. Dies bietet ein hohes Maß an Integration und lässt Designern gleichzeitig die freie Wahl der MCU und der zugehörigen Software.
Die kürzlich vorgestellten Modelle TB9053FTG und TB9054FTG von Toshiba bauen auf einer Tradition in der Automobilelektronik aus den 1970er Jahren auf. Diese Zweikanal-DC-Motortreiber verwenden robustes BiCD Technologieund vereint die besten Eigenschaften von Bipolar, CMOS und DMOS. Jedes Gerät integriert zwei H-Brücken mit N-Kanal-DMOS-Schaltern, Vortreibern und mehreren Diagnose- und Steuerungsfunktionen, die es Automobil-OEMs ermöglichen, die Ursache von Funktionsfehlern schnell zu lokalisieren.
Die Geräte können im SMALL-Modus betrieben werden, der ein Paar 5-A-Motoren unterstützt, oder im LARGE-Modus, wobei zwei parallele Kanäle zur Steuerung eines 10-A-Motors verwendet werden. Der BiCD-Prozess von Toshiba bietet einen niedrigen Pfadwiderstand von nur 290 mΩ und minimiert so die Wärmeerzeugung und den Bedarf an Wärmemanagement. Durch die Integration der Kondensatoren für die Vortreiber-Ladungspumpen werden die Anzahl externer Komponenten und der Platzbedarf weiter reduziert. Das fortschrittliche Design ermöglicht die Nutzung von Einschaltdauern von bis zu 100 %.
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| Abbildung 2: Der TB905xFTG kann bis zu 5 A pro Kanal für zwei Motoren im SMALL-Modus oder bis zu 10 A im LARGE-Modus für einen einzelnen Motor liefern. |
Die vier integrierten Halbbrücken verfügen über individuelle PWM-Eingänge, die mit Geschwindigkeiten von 1 kHz bis 20 kHz betrieben werden können. Für einen sicheren Betrieb erfolgt die Einfügung von Totzeiten innerhalb der Gerätehardware, während andere Pins die Gerätekonfiguration und die Aktivierung/Deaktivierung unterstützen.
Die integrierte SPI-Schnittstelle bietet mehrere Konfigurationsoptionen und Zugriff auf Diagnosedaten und ermöglicht die Verkettung mehrerer Geräte zur Steuerung mehrerer Motoren. Eine Überstromschwelle kann zwischen 4.6 A und 6.5 A im SMALL-Modus oder 9.2 A und 13.0 A im LARGE-Modus eingestellt werden.
Der Motortreiber kann ausschließlich über SPI mit einem integrierten 16-MHz-Oszillator und einem PWM-Controller betrieben werden, wodurch die von der MCU benötigte Signalanzahl reduziert wird. Ein einzelner MCU-Taktausgang stellt die Zeitbasis bereit, und wenn diese ausfällt, kann der interne Oszillator eine Notlauffunktion bereitstellen.
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| Abbildung 3: Durch die Verwendung der SPI-Schnittstelle kann die Anzahl der erforderlichen MCU-Pins reduziert werden |
Da große Motorströme vorhanden sind, stellt die Einhaltung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine Herausforderung dar. Daher bietet der TB905xFTG sieben Anstiegsgeschwindigkeiten (1.09 bis 26.25 V/µs), um dies zu unterstützen. Ein niedriger Einschaltwiderstand minimiert die Wärmeentwicklung. Die erzeugte Wärme wird schnell über das thermisch verbesserte Gehäuse des TB9053FTG abgeführt, wobei ein integrierter Kühlkörper einen Wärmewiderstand von nur 0.67 °C/W erreicht, was bedeutet, dass eine Leiterplatte in bestimmten Designs für die erforderliche Wärmeableitung sorgen kann. Der TB9054FTG befindet sich in einem quadratischen VQFN-Gehäuse von 6 mm mit einem Pinabstand von 0.5 mm und benetzbaren Flanken, was dieses AEC-Q100-Gerät ideal für die automatisierte optische Inspektion (AOI) macht, wie sie von der Automobilindustrie bevorzugt wird.
Zusammenfassung
Während in vielen Anwendungen mittlerweile BLDCs zum Einsatz kommen, werden in einer Reihe von Automobilanwendungen aus Designkomplexitäts- und Kostengründen weiterhin bürstenbehaftete Gleichstrommotoren zum Einsatz kommen. Der TB905xFTG von Toshiba nutzt einen fortschrittlichen BiCD-Prozess, um eine hochintegrierte Motorsteuerung zu liefern, die konfigurierbar und effizient ist. Die Geräte erfüllen die strengen Qualitäts- und Inspektionsanforderungen der Automobilindustrie und behalten gleichzeitig die vorhandenen MCUs und die zertifizierte Software bei, die sie ausführen.