MHEV 48V电机驱动设计大有门道

电动汽车（EV）是近年来半导体行业必谈的课题之一，在汽车电气化上全世界都在聚焦“减少温室气体排放”这个问题上。据美国国家公路交通安全管理局统计，平均燃油经济性到2026年达40.4英里/每加仑燃油；而在巴黎联合国气候变化大会上（COP21）提出了2030年温室气体排放量比1990年减少40%的目标。

在此背景之下，汽车厂商有两条路。其一，采用电池汽车电机化的做法，使用高压电池进行电动车制造；其二，采用轻混电动车（MHEV，Mild Hybrid Electronic Vehicle），MHEV仅需使用48V电机，就能将内燃机的温室气体排放量减少13%-22%。

随着市场加速，MHEV具有多重优势，已在大多品牌中实现，并具有一定市场。“我们认为48V轻混市场有很大的潜力，而且这个应用对于减少温室气体的排放是有很大的帮助，所以我们绝对认为48V轻混市场是有很大的增长空间的”，德州仪器 (TI) 电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian如是说。近期，TI也邀请21ic中国电子网共同讨论在这一市场的发展。

MHEV对48V电机驱动有很大要求

MHEV在越来越严格的排放标准和越来越高的油耗动力需求下应运而生，博世、法雷奥、德尔福等厂商均已有48V轻混汽车面世，并取得不错成绩。

MHEV与传统电动汽车驱动系统最大的区别便是从12V的使用电压变为48V，在电池电压输出升高的情况下整体的线路损耗被降低，启停电机、空调压缩机、冷却水泵等系统的工作时间被改善。除此之外，48V的电压使得锂电池实现快速能量回收，回收能量将被用于辅助驱动，降低发动机负载，整体的油耗和排放均会有效降低。

虽然MHEV拥有如此强大的“魔力”，但实际上对于设计人员来说，想要在MHEV电机驱动系统中实现汽车电气化并非随意之事。根据Kannan的介绍，想要实现MHEV的汽车电气化，对电机驱动系统拥有4个要求：

1、小尺寸：在整车功能愈发增长的背景下，电路板的空间是有限的，小尺寸能够让更多器件集合在电路板上，这样才能更好满足电机驱动的要求。

2、安全性：车规级产品普遍相对普通产品拥有更高的要求，需要在设计中遵循汽车安全完整性等级ASIL D的系统级功能安全性。

3、大功率：大功率器件能够在有限空间中驱动更高功率器件，帮助更好实现电气化。

4、耐受性：由于汽车场景普遍在条件中相对较为恶劣，特别对温度和压力拥有更高的要求。

实际上TI的48V电机产品就是遵照这种要求而设计的，Kannan为介绍其解决方案DRV3255-Q1：

1、集成：TI的DRV3255-Q1与现有的三相48V BLDC电机驱动器相比，可将PCB空间减少多达30%。

2、功能安全：TI的功能安全合规型电机驱动器可帮助实现符合ASIL D要求的轻混电动车(MHEV)系统，并根据ISO26262要求进行设计。

3、功率：为轻混电动车(MHEV)的大功率电机系统提供超高的栅极驱动电流，Kannan强调TI能够为轻混电动车提供最高达到30KW的功率。

4、保护：通过0级认证保护48V起动机发电机系统免受瞬态影响。Kannan表示，TI在侦测和保护设计当中有很多的考量，能够使器件稳定、可靠。

48V电机驱动架构设计有门道

Kannan为记者展示了市面上常见的48V电机架构，要实现具有强大保护功能的安全电机驱动器系统，需要在外部使用钳位二极管、外部驱动电路、汇路电阻器和二极管、比较器以及外部安全逻辑。这些外部器件会导致布板空间增大并使系统成本升高。不仅如此，由于电机是三相的所以需要三套同样的器件。

而DRV3255-Q1的集成了外部逻辑和比较器、可调节高电流栅极驱动器以及对大电压瞬态的支持（无需额外的外部器件），将所有需要的一些逻辑和驱动器件都集成在系统里。由此，外部系统被大大简化，这样的高度集成化还能带来更小的板载空间。

DRV3255-Q1不仅拥有超高的集成性，能够减少12-24个无源器件，还拥有高达30kW的超高功率和能够免受95V恶劣开关瞬态电压影响的安全机制。产品不仅根据ISO26262标准设计，能够帮助客户容易实现ASIL-D等级的系统设计，还符合AECQ-100 0级标准，甚至可在-40摄氏度到150摄氏度环境下应用。

Kannan表示48V电机驱动是DRV3255-Q1最主要的系统目标，除了最常见的应用外，TI预计未来会有诸如电机驱动的电动助力转向应用运用48V系统。

他强调，无人驾驶系统需要确保智能和安全，因此需要高度冗余的空间搭载相关功能。想要确保系统冗余，起码要两个同时运行的系统并存。“当两个系统并存在一起时，如果纯粹以12V单相电源来供电，负荷会有一定限制，不能做到很高的重复使用。如果能够一个系统用48V，另外一个系统用12V，冗余度就会变得非常高，并且能确保正常运行时单一电源会更高。”

一般的设计中，系统中还会配置12V的电池去配置电源驱动芯片和MCU，供电的来源则是DC/DC降压器将48V降压为12V所供给的。一般的驱动电机中，电压在系统上出现任何偏差都会直接将48V电流灌注冲击电源驱动芯片和MCU上。

DRV3255-Q1的设计中，由于所有逻辑接口都拥有了最高75V的高承受电压基准，有任何错误，电机驱动器都是能够承受这个负载的。Kannan强调，这也是48V驱动设计中较为重要的一点，能够提高产品的可靠度。

48V电动车未来将走向何方

对于48V电动汽车，业界常常传出“48V是过渡，甚至OEM会跳过48V这一世代”的声音。但实际上，大多数OEM厂商正在采用48V系统，因为这只需在车辆架构上进行一步步改变，ICE则需要昂贵的重新设计。并且，很多OEM厂商也正在逐渐传出扩产MHEV产品组合的消息，越来越多的OEM开始计划推出MHEV，所以说传言与实际是背道而驰的。

虽然48V这个数字看起来比12V更大，但实际在汽车成本上并不是一个正比的关系。具体来说，电缆成本（48V允许比12V更小线标，电缆尺寸和重量更低）、供电成本（电动泵、风扇、动力转向齿条和压缩机效率更高）、电池成本（比PHEV和BEV要求更低）、发动机成本（可在性能不变情况下，用四缸发动机替换六缸发动机）。

那么既然48V电机驱动比12V电机驱动优势这么多，前者会取代后者吗？答案是否定的，TI的Karl-Heinz Steinmetz曾在其官网中表示，高端汽车制造商将完全转向48V系统可能需要10到15年的时间，未来一段时间内仍会是12V-48V的双动力结构。

通过观察TI在48V驱动上主推的DRV3255-Q1这个产品，其很大优势都是建立在其高度集成化和安全可靠性上的。说到集成，TI近两年发布产品均从分立转向拥抱集成，Kannan强调在集成方面，TI还提供了很好的环境侦测功能，能够把一些侦测到的资讯很方便地从驱动器转到处理器上。这样的高度集成化，使得TI认为这个系统有很大的优势去帮助客户建立小型化的48V电机驱动系统。

从汽车上谈起，TI现在拥有7000种车规级模拟和嵌入式产品，并且从2014年以来，每年都会推出数百种新型车规级的芯片。相信这样的实力之下，48V电机驱动将会受到无比强大的加持。