東芝為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向打造電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心

隨著汽車(chē)電氣和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜化，汽車(chē)電子系統(tǒng)的安全性逐漸成為消費(fèi)者與廠商衡量新一代汽車(chē)產(chǎn)品優(yōu)劣的重要指標(biāo)。如何量化評(píng)估汽車(chē)功能是否安全，如何減少、規(guī)避駕駛過(guò)程中遇到的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，如何做到汽車(chē)功能安全等問(wèn)題變得十分突出，為了解決上述難題，ISO26262 汽車(chē)功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。

ISO26262 定義的功能安全是為了避免因電氣／電子系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)。由于電子控制器失效的可預(yù)見(jiàn)性非常低，為了保證即使出現(xiàn)部分電子器件故障，汽車(chē)系統(tǒng)也能在短期（故障容錯(cuò)時(shí)間內(nèi)）內(nèi)安全運(yùn)行，需要進(jìn)行功能安全防護(hù)。IS026262 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)汽車(chē)功能的ASIL（汽車(chē)安全完整性）劃分為A、B、C、D 四個(gè)等級(jí)。其中，A 安全等級(jí)最低，D 為安全等級(jí)最高。目前絕大多數(shù)乘用車(chē)都要求其電子系統(tǒng)必須達(dá)到ASIL-D 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這直接促使汽車(chē)電子系統(tǒng)元器件進(jìn)行了全方位的升級(jí)換代。

相比剎車(chē)、雷達(dá)等傳統(tǒng)意義的安全系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（electric power steering，EPS）是較早引入電子控制系統(tǒng)的車(chē)內(nèi)功能單元，同時(shí)也是跟駕駛員最密切的功能安全系統(tǒng)。EPS 作為直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，轉(zhuǎn)向助力大小可以通過(guò)軟件調(diào)整，能夠兼顧低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性。EPS 主要由扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元（ECU）等組成，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和功率器件組成的電機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)EPS 的控制核心，決定并執(zhí)行每一次助力的行為（如圖1）。

圖1 EPS電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在如今的汽車(chē)EPS 系統(tǒng)中，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件的需求不斷增加，除了必須滿(mǎn)足ASIL-D 的要求之外，還要具有更高的集成度以滿(mǎn)足器件的小型化需求。在確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)，還要保障整個(gè)設(shè)備的低噪音甚至靜音運(yùn)行。除此之外，如今的電機(jī)系統(tǒng)需要多種運(yùn)行模式（連續(xù)運(yùn)行、定期運(yùn)行和短暫運(yùn)行），同時(shí)還要結(jié)合車(chē)規(guī)器件必不可少的高可靠性、防水、防塵以及抗振動(dòng)等特性。除了上述要求，越來(lái)越多的系統(tǒng)相關(guān)功能也需要逐步整合到半導(dǎo)體模組中，以方便在系統(tǒng)中實(shí)施，如電流檢測(cè)以及保護(hù)和診斷功能，這些都是幫助系統(tǒng)更好地滿(mǎn)足功能安全ASIL-D 標(biāo)準(zhǔn)的必要集成。

針對(duì)EPS 系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，東芝目前主推的是實(shí)現(xiàn)功能安全性的增強(qiáng)型無(wú)刷電機(jī)預(yù)驅(qū)IC——“TB9081FG”。該芯片在2018 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并在多款歐美車(chē)型上得到廣泛應(yīng)用。多功能集成是TB9081FG的重要特性，該產(chǎn)品集成了包括3 相預(yù)驅(qū)動(dòng)電路、故障安全繼電器預(yù)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)電流檢測(cè)電路，以及各種故障檢測(cè)電路在內(nèi)的多項(xiàng)關(guān)鍵功能。該IC 還融合了用于檢測(cè)故障檢測(cè)電路中潛伏性故障的初步診斷電路，以確保更高的功能安全。此外，東芝還進(jìn)行了一系列功能安全分析，模擬各種系統(tǒng)故障，而且還為客戶(hù)提供諸如FMEDA 之類(lèi)的記錄文件，以支持安全分析和設(shè)計(jì)。特別是，針對(duì)功能安全的要求，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，用戶(hù)可采用兩種方式其中之一，利用SPI 通信的輸入設(shè)定來(lái)設(shè)置系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)到的故障作出響應(yīng)。

一種設(shè)定是利用這款全新的IC 停止外部MOSFET，另一種設(shè)定是利用MCU（微控制器單元）切換至MOSFET 的外部控制。兩種方式可根據(jù)用戶(hù)應(yīng)用或系

統(tǒng)進(jìn)行選擇，且適用于各種不同系統(tǒng)。相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品，除了高可靠性和高效率外，東芝的EPS 系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)更善于將外圍的器件集成到IC 內(nèi)部，從而大幅降低系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，更符合未來(lái)汽車(chē)電子發(fā)展的方向。

在TB9081FG 基礎(chǔ)上，針對(duì)未來(lái)的EPS 系統(tǒng)發(fā)展，特別是從功能安全到未來(lái)無(wú)人駕駛的安全需求，需要增加冗余控制器（配置2 到3 套控制系統(tǒng)）方案以滿(mǎn)足新的技術(shù)要求，這就意味著產(chǎn)品性能將更為精準(zhǔn)，產(chǎn)品體積將進(jìn)一步小型化，同時(shí)還要增加靈活度并降低成本。為此，東芝準(zhǔn)備了全新的TB9083FTG（2022年國(guó)內(nèi)量產(chǎn)提供）產(chǎn)品，以滿(mǎn)足面向Level-3 以上的自動(dòng)駕駛或未來(lái)的無(wú)人駕駛應(yīng)用。相比TB9081FG，TB9083FTG 通過(guò)封裝的不同和功能的取舍，在尺寸和成本上進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)工作溫度范圍進(jìn)行了提升。

此外，TB9083FTG 集成了更多外圍電路，PCB 的尺寸也更小。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在多個(gè)歐美和日本的車(chē)型上得到了廣泛應(yīng)用。兩個(gè)產(chǎn)品的詳細(xì)差別見(jiàn)表1。

功率器件也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不可或缺的部分，而在標(biāo)準(zhǔn)的EPS 控制系統(tǒng)中普遍要采用9 ～ 11 個(gè)MOSFET 構(gòu)建一套完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)需要的MOSFET 數(shù)量則要翻倍。目前面向EPS 系統(tǒng)應(yīng)用東芝主要推出的是兩款采用小型低電阻SOP Advance（WF）封裝（通常稱(chēng)為5 mm×6 mm 底部帶散熱片封裝）的汽車(chē)用40 V N 溝道功率MOSFET 產(chǎn)品——“TPHR7904PB” 和“TPH1R104PB”。其采用最新第9 代U-MOS IX-H 溝槽工藝制造以及小型低電阻封裝，低導(dǎo)通電阻有助于降低導(dǎo)通損耗。與東芝上一代設(shè)計(jì)（U-MOS IV） 相比，U-MOS IX-H 設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了更低的開(kāi)關(guān)噪聲，其中TPHR7904PB 實(shí)現(xiàn)了0.79 mΩ 的最大導(dǎo)通電阻（RDS(ON) 最大值），有助于降低EMI。SOP Advance（WF） 封裝采用“ 可焊錫側(cè)翼”（Wettable Flank）引腳結(jié)構(gòu)，支持在焊接之后進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）。在客戶(hù)選擇方面，TPHR7904PB 的性能最優(yōu)，而TPH1R104PB 則是性?xún)r(jià)比更高的選擇，客戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求選擇最合適的產(chǎn)品。

面向未來(lái)的汽車(chē)電子需求，東芝電子不斷拓展封裝方式以提升MOSFET 支持的電流上限，東芝計(jì)劃在高密度的TOGL 封裝上支持電流高達(dá)400 A 的MOSFET，而sTOGL 封裝則可以支持最高250 A 電流。這兩種新的產(chǎn)品將在2021 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，可以滿(mǎn)足更多車(chē)載功率器件的需求。

完整的系統(tǒng)解決方案是東芝電子另一個(gè)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，比如在面向EPS 的系統(tǒng)解決方案中，東芝除了電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)TB9081FG 和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)用MOS 管之外，還可以提供適用于ASIL D 系統(tǒng)的傳感器安全機(jī)制3通道電源TB9044AFNG 和MCU 等優(yōu)秀產(chǎn)品，在保持高性能的同時(shí)性?xún)r(jià)比也極具競(jìng)爭(zhēng)力。

作為傳統(tǒng)的汽車(chē)半導(dǎo)體杰出供應(yīng)商，東芝電子在滿(mǎn)足功能安全方面始終堅(jiān)持與客戶(hù)攜手走在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前列，特別是隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，東芝電子希望通過(guò)本地化服務(wù)體系將歐美成熟市場(chǎng)的先進(jìn)功能安全方案引入國(guó)內(nèi)，幫助國(guó)內(nèi)車(chē)企或Tire1 供應(yīng)商打造符合國(guó)際高水平的功能安全電子系統(tǒng)。

為了幫助中國(guó)客戶(hù)更好地采用東芝的解決方案，東芝電子在國(guó)內(nèi)可為客戶(hù)提供完整的參考設(shè)計(jì)，或通過(guò)第三方合作伙伴及IDH 的支持提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)與服務(wù)，目前已經(jīng)可以在中國(guó)本地化設(shè)計(jì)合技術(shù)支持服務(wù)，更好地幫助國(guó)內(nèi)車(chē)企和系統(tǒng)提供商快速開(kāi)發(fā)出具有國(guó)際高水平的滿(mǎn)足功能安全標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)系統(tǒng)。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期）