东芝为电动助力转向打造电机驱动系统核心

作者：东芝半导体时间：2021-06-17 来源：电子产品世界收藏

随着汽车电气和电子系统设计日趋复杂化，汽车电子系统的安全性逐渐成为消费者与厂商衡量新一代汽车产品优劣的重要指标。如何量化评估汽车功能是否安全，如何减少、规避驾驶过程中遇到的各类风险，如何做到汽车功能安全等问题变得十分突出，为了解决上述难题，ISO26262 汽车功能安全国际标准应运而生。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202106/426373.htm

ISO26262 定义的功能安全是为了避免因电气／电子系统故障而导致的不合理风险。由于电子控制器失效的可预见性非常低，为了保证即使出现部分电子器件故障，汽车系统也能在短期（故障容错时间内）内安全运行，需要进行功能安全防护。IS026262 标准针对汽车功能的ASIL（汽车安全完整性）划分为A、B、C、D 四个等级。其中，A 安全等级最低，D 为安全等级最高。目前绝大多数乘用车都要求其电子系统必须达到ASIL-D 级标准，这直接促使汽车电子系统元器件进行了全方位的升级换代。

相比刹车、雷达等传统意义的安全系统，电动助力转向（electric power steering，EPS）是较早引入电子控制系统的车内功能单元，同时也是跟驾驶员最密切的功能安全系统。EPS 作为直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，相比传统的液压转向助力系统具有明显的节能优势。同时，转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性。EPS 主要由扭矩传感器、车速传感器、电机驱动、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成，其中电机驱动芯片和功率器件组成的电机控制系统是整个EPS 的控制核心，决定并执行每一次助力的行为（如图1）。

图1 EPS电机驱动系统的结构

在如今的汽车EPS 系统中，对直流无刷电机驱动器件的需求不断增加，除了必须满足ASIL-D 的要求之外，还要具有更高的集成度以满足器件的小型化需求。在确保电机驱动器实现高效率的同时，还要保障整个设备的低噪音甚至静音运行。除此之外，如今的电机系统需要多种运行模式（连续运行、定期运行和短暂运行），同时还要结合车规器件必不可少的高可靠性、防水、防尘以及抗振动等特性。除了上述要求，越来越多的系统相关功能也需要逐步整合到半导体模组中，以方便在系统中实施，如电流检测以及保护和诊断功能，这些都是帮助系统更好地满足功能安全ASIL-D 标准的必要集成。

针对EPS 系统的电机驱动应用，东芝目前主推的是实现功能安全性的增强型无刷电机预驱IC——“TB9081FG”。该芯片在2018 年实现量产，并在多款欧美车型上得到广泛应用。多功能集成是TB9081FG的重要特性，该产品集成了包括3 相预驱动电路、故障安全继电器预驱动电路和电机电流检测电路，以及各种故障检测电路在内的多项关键功能。该IC 还融合了用于检测故障检测电路中潜伏性故障的初步诊断电路，以确保更高的功能安全。此外，东芝还进行了一系列功能安全分析，模拟各种系统故障，而且还为客户提供诸如FMEDA 之类的记录文件，以支持安全分析和设计。特别是，针对功能安全的要求，当检测到故障时，用户可采用两种方式其中之一，利用SPI 通信的输入设定来设置系统对检测到的故障作出响应。

一种设定是利用这款全新的IC 停止外部MOSFET，另一种设定是利用MCU（微控制器单元）切换至MOSFET的外部控制。两种方式可根据用户应用或系

统进行选择，且适用于各种不同系统。相比竞争对手的产品，除了高可靠性和高效率外，东芝的EPS 系统电机驱动更善于将外围的器件集成到IC 内部，从而大幅降低系统的体积和质量，更符合未来汽车电子发展的方向。

在TB9081FG 基础上，针对未来的EPS 系统发展，特别是从功能安全到未来无人驾驶的安全需求，需要增加冗余控制器（配置2 到3 套控制系统）方案以满足新的技术要求，这就意味着产品性能将更为精准，产品体积将进一步小型化，同时还要增加灵活度并降低成本。为此，东芝准备了全新的TB9083FTG（2022年国内量产提供）产品，以满足面向Level-3 以上的自动驾驶或未来的无人驾驶应用。相比TB9081FG，TB9083FTG 通过封装的不同和功能的取舍，在尺寸和成本上进行了优化，并对工作温度范围进行了提升。

此外，TB9083FTG 集成了更多外围电路，PCB 的尺寸也更小。目前该产品已经在多个欧美和日本的车型上得到了广泛应用。两个产品的详细差别见表1。

功率器件也是电机驱动系统中不可或缺的部分，而在标准的EPS 控制系统中普遍要采用9 ～ 11 个MOSFET构建一套完整的驱动系统，冗余系统需要的MOSFET 数量则要翻倍。目前面向EPS 系统应用东芝主要推出的是两款采用小型低电阻SOP Advance（WF）封装（通常称为5 mm×6 mm 底部带散热片封装）的汽车用40 V N 沟道功率MOSFET 产品——“TPHR7904PB” 和“TPH1R104PB”。其采用最新第9 代U-MOS IX-H 沟槽工艺制造以及小型低电阻封装，低导通电阻有助于降低导通损耗。与东芝上一代设计（U-MOS IV）相比，U-MOS IX-H 设计还实现了更低的开关噪声，其中TPHR7904PB 实现了0.79 mΩ 的最大导通电阻（RDS(ON) 最大值），有助于降低EMI。SOP Advance（WF）封装采用“ 可焊锡侧翼”（Wettable Flank）引脚结构，支持在焊接之后进行自动光学检测（AOI）。在客户选择方面，TPHR7904PB 的性能最优，而TPH1R104PB 则是性价比更高的选择，客户可以根据实际需求选择最合适的产品。