De voordelen van borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) zijn duidelijk en ze worden gebruikt in veel toepassingen in voertuigen en elders. Hoewel ze krachtiger, lichter en efficiënter zijn, blijven ze echter duurder en vereisen ze een complexere besturing dan DC-motoren met borstels. Dit betekent dat voor elke toepassing binnen een voertuig moet worden bekeken welk motortype het meest geschikt is. Over het algemeen geldt: hoe minder de motor wordt gebruikt tijdens een rit, hoe groter het voordeel van het gebruik van een gelijkstroommotor met borstels.
Figuur 1: Er zijn veel toepassingen voor motoren in de moderne auto
In veel motortoepassingen ontvangt een microcontroller (MCU) in de ECU besturingsingangen via CAN of LIN. Deze signalen worden omgezet in pulsbreedtegemoduleerde (PWM) motorbesturingssignalen en worden gebruikt om de stroomschakelaars (meestal mosfets apparaten) die de motor aandrijven met behulp van een poortaandrijving om het vermogen te vergroten. De MOSFET's zijn geconfigureerd als een H-brug waarmee de motor in beide richtingen kan draaien en met PWM-signalen de snelheid van de rotor kan regelen.
Met de behoefte aan compacte en betrouwbare ontwerpen, zijn geïntegreerde benaderingen vereist. Integratie van de MCU en pre-driver-fase is een optie, hoewel de MCU-software voor de MCU is getest en goedgekeurd voor veiligheid, dus de noodzaak om de software over te dragen en opnieuw te certificeren sluit deze aanpak uit.
Een alternatief is het gebruik van een motor control driver (MCD) die de pre-driver integreert met de H-brug. Dit zorgt voor een hoge mate van integratie, terwijl ontwerpers vrij kunnen kiezen uit MCU en bijbehorende software.
Toshiba's onlangs geïntroduceerde TB9053FTG en TB9054FTG bouwen voort op een erfgoed in auto-elektronica uit de jaren zeventig. Deze tweekanaals DC-motordrivers maken gebruik van robuuste BiCD technologie, waarbij de beste eigenschappen van bipolair, CMOS en DMOS worden gecombineerd. Elk apparaat integreert twee H-bruggen van N-kanaal DMOS-schakelaars, pre-drivers en verschillende diagnostische en besturingsfuncties waarmee OEM's in de auto-industrie snel de bron van functionele storingen kunnen lokaliseren.
De apparaten kunnen in de SMALL-modus werken, waarbij een paar motoren van 5 A worden ondersteund, of in de LARGE-modus, waarbij twee parallelle kanalen worden gebruikt om een motor van 10 A aan te sturen. Toshiba's BiCD-proces levert een lage padweerstand van slechts 290 mΩ, waardoor de warmteontwikkeling en de behoefte aan thermisch beheer worden geminimaliseerd. Door de condensatoren voor de pre-driver laadpompen te integreren, wordt het aantal externe componenten en de ruimte verder verminderd. Het geavanceerde ontwerp maakt gebruik van inschakelduur tot 100% mogelijk.
 |
| Afbeelding 2: De TB905xFTG kan tot 5 A per kanaal leveren voor twee motoren in SMALL-modus, of tot 10 A in LARGE-modus voor een enkele motor. |
De vier geïntegreerde halve bruggen hebben individuele PWM-ingangen die kunnen worden aangestuurd met snelheden van 1 kHz tot 20 kHz. Voor een veilige werking wordt deadtime-invoeging afgehandeld binnen de apparaathardware, terwijl andere pinnen de apparaatconfiguratie ondersteunen en in-/uitschakelen.
De ingebouwde SPI-interface biedt meerdere configuratie-opties en toegang tot diagnostische gegevens, en maakt serieschakeling van meerdere apparaten mogelijk om meerdere motoren te besturen. Er kan een overstroomdrempel worden ingesteld tussen 4.6 A en 6.5 A in de SMALL-modus of tussen 9.2 A en 13.0 A in de LARGE-modus.
De motordriver kan uitsluitend via SPI worden bediend met behulp van een ingebouwde 16 MHz-oscillator en PWM-controller, waardoor het aantal benodigde signalen van de MCU wordt verminderd. Een enkele MCU-klokuitgang levert de tijdbasis en als dit niet lukt, kan de interne oscillator een 'limp-home'-mogelijkheid bieden.
 |
| Afbeelding 3: Het gebruik van de SPI-interface kan het aantal benodigde MCU-pinnen verminderen |
Omdat er grote motorstromen aanwezig zijn, is het een uitdaging om te voldoen aan de vereisten voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Daarom biedt de TB905xFTG zeven slew-rates (1.09 tot 26.25 V/µs) om hierbij te helpen. Lage aan-weerstand minimaliseert warmteontwikkeling. Alle gegenereerde warmte wordt snel afgevoerd via de thermisch verbeterde verpakking van de TB9053FTG, waar een geïntegreerd koellichaam een thermische weerstand van slechts 0.67°C/W bereikt, wat betekent dat een printplaat in bepaalde ontwerpen de vereiste koellichaam kan bieden. De TB9054FTG zit in een 6 mm vierkante VQFN-verpakking met een pin-pitch van 0.5 mm en bevochtigbare flanken, waardoor dit AEC-Q100-apparaat ideaal is voor geautomatiseerde optische inspectie (AOI), zoals de auto-industrie de voorkeur geeft.
Samengevat
Hoewel veel toepassingen nu BLDC's gebruiken, zal een aantal automobieltoepassingen DC-motoren met borstels blijven gebruiken vanwege de complexiteit van het ontwerp en de kosten. De TB905xFTG van Toshiba maakt gebruik van een geavanceerd BiCD-proces om een sterk geïntegreerde motorbesturing te leveren die configureerbaar en efficiënt is. De apparaten voldoen aan strenge kwaliteits- en inspectie-eisen voor auto's, terwijl de bestaande MCU's en de gecertificeerde software die ze uitvoeren behouden blijven.