基于旗芯微FC4150的車載電空調(diào)壓縮機應用方案

大聯(lián)大世平集團針對新能源車載高壓無刷電機，推出基于旗芯微 FC4150 的車載電空調(diào)壓縮機驅(qū)動方案。此方案應用在新能源 400V 電壓平臺，開發(fā)板搭載的主要器件有 Flagchip 的MCU FC4150，NXP 的汽車安全系統(tǒng)基礎芯片( SBC )，安森美的 IPM 模塊，圣邦微的車規(guī)級運放等?？梢杂米黩?qū)動壓縮機、水泵、冷卻風扇等車載輔助電機，符合 ASIL B 功能安全等級。

硬件設計說明: 

1. 主控

       采用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A，使用高性能的 ARM Cortex-M4 為內(nèi)核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達 150 MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的 I/O 端口和多種外設。

FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示：

1. IPM

       電機驅(qū)動部分，方案采用集成預驅(qū)與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來做電機的電子換相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA35065L32-D。NFVA35065L32-D 內(nèi)置 3 個高速半橋高壓柵極驅(qū)動電路，集成了（650V/50A）低損耗的 IGBT 管，最大支持 20Khz 的 PWM，死區(qū)最小時間為 2us，還提供多個模塊保護功能，包括欠電壓鎖定、過電流鎖定、驅(qū)動與集成電路的溫度監(jiān)測和故障報告等，為汽車電機應用提供了一個全功能、高性能的逆變器。

NFVA35065L32-D 框圖如下圖所示：

1. 電源設計

       低壓電源供電部分，采用了一顆帶有功能安全的電源管理芯片，它是 恩智浦 的 FS2600 ，F(xiàn)S2600 具有多個 BUCK 、BOOST 輸出以及 LDO 穩(wěn)壓器，可為 MCU、SENSOR、外設 IC 和通信接口供電。FS2600B 的監(jiān)控診斷包括喚醒輸入、看門狗、復位、中斷，以及對電路診斷后的失效輸出等，這顆 FS2600 & FC4150 通過 SPI 通信，在系統(tǒng)運行時提供潛在的故障監(jiān)測輸出，以提供增強的安全特性。

FS2600B框圖如下圖所示：

4.OPA

運算放大器部分，方案采用圣邦威的車規(guī)級 SGM8557H-1AQ 來對 IPM 的底邊管進行電流采樣。SGM8557H-1AQ 的其特點如下：

• 輸入電壓 2.7V-5.5V

• 輸出驅(qū)動能力高達 230mA

• 軌至軌輸出

• 輸入偏置電壓 15uV

• 15MHz 的增益帶寬和 7.5V/us 的壓擺率

• AEC-Q100 1 級認證

方案原理圖：

1.MCU 板

 

2.高壓電機驅(qū)動板

PCB Layout：

1.MCU 板

        2.高壓電機驅(qū)動板

軟件設計說明: 

       方案軟件部分采用世平 Sensorless FOC 雙電阻采樣的軟件庫架構，通過板載電位器使電機旋轉(zhuǎn)。軟件采用雙環(huán)控制（電流環(huán)+速度環(huán)），矢量控制的框圖如下圖所示：

1. SVM

       空間矢量脈寬調(diào)制（SVM）是 FOC 的基礎，是根據(jù)其所在扇區(qū)選擇非零矢量與零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式開關次數(shù)較多，但諧波較??；五段式開關次數(shù)是七段式的一半，但諧波較大，代碼采用的是七段式。其實現(xiàn)流程大致如下：

① 判斷合成矢量所在扇區(qū)

② 計算相鄰矢量作用時間

③ 計算各橋臂導通時間

④ 得到各相PWM占空比

⑤ 更新相應寄存器值

1. Current Sensing

      在電流環(huán)，軟件中的電流采樣選擇雙電阻采樣，通過采樣 V 和 W 相的下橋臂電阻上的壓降，再用基爾霍夫電流定律計算第三相（U 相）的電流。

3. FC4150 外設間的相互配合

        在 FOC 控制中 FTU 需要產(chǎn)生中心對齊的 PWM 信號，在重新裝載計數(shù)值時，F(xiàn)TU 支持產(chǎn)生重新裝載的觸發(fā)信號用于通知 2 個 PTIMER 開始計時，當 PTIMER 計時到 PWM 的中心點時，PTIMER 產(chǎn)生觸發(fā)信號通知 ADC 進行采樣，采樣完成后發(fā)生 ADC 中斷得到三相電流，F(xiàn)OC 算法函數(shù)開始計算下一周期各個通道的 PWM 占空比，從而完成對電機的磁場定向控制。

?場景應用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術優(yōu)勢

1. MCU 內(nèi)核是 ARM Cortex-M4，主頻 150MHZ，內(nèi)置 96MH 高速振蕩器，512KBFlash，128KB SRAM，12-bit ADC with 1MSPS 2.使用 Cache & FPU 運算，F(xiàn)OC 算法在 10us 內(nèi)可以處理完畢，極大減少 MCU 的資源使用 3.使用 IPM 內(nèi)置比較器做過電流保護 4. IPM 內(nèi)置 650V/50A 的IGBT，滿足壓縮機大功率應用并保留冗余 5. 使用 FS2600 SBC 增強系統(tǒng)安全冗余

?方案規(guī)格

1. 輸入電壓范圍: 310VDC~450VDC 2. MCU: ARM Cortex-M4 32-bit 內(nèi)核，主頻高達 150MHz ，ASIL-B 功能安全等級 3. 支持 CAN 通訊 4. 支持 2 Shunt R 三相電流采樣 5. 支持 BEMF 電壓回授 ADC 采樣 6. 支持過壓鉗位防護 7. 板載電位器支持速度調(diào)節(jié) 8. 具備 LED 指示燈 & 按鍵 9. 開發(fā)板尺寸 : MCU 板 80 * 70 mm ，電機驅(qū)動板 170 * 150 mm