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오늘날의 차량을 살펴보면 기계적으로 만 남은 차량을 찾기가 힘들 것입니다. 전기 화를 향한 추진으로 인해 카메라 기반 백미러에서 모터 제어 도어 및 테일 게이트에 이르기까지 모든 차량 내 기능도 전기 화되어야하는 것 같습니다. 또한 기능과 옵션 측면에서 자동차 엔지니어의 상상력이 넓어지고 있지만 품질, 신뢰성 및 장기적인 가용성에 대한 요구는 꾸준히 유지되고 있습니다. 이러한 응용 프로그램 중 일부의 문제는 특히 도어 및 테일 게이트와 관련된 높은 부하와 이들을 통합 할 공간의 양이 결합되어 있다는 것입니다. 이로 인해 실리콘 공급 업체가 대부분 해결해야하는 전력 전달 및 열 방출 문제가 발생합니다.
전기 모터의 지원을 통해 고급 스러움을 더할 수있는 다양한 편의 기능이 있습니다. 오늘날 가장 일반적인 것은 창문 리프터와 선 루프 오프너입니다. 약 12 Nm의 토크를 제공해야합니다. 그러나 슬라이딩 도어와 테일 게이트 리프터는 최대 140Nm의 힘이 필요하므로 작동시 모터에 수십 암페어의 전류가 공급되어야합니다. 흐르는 엄청난 전류 외에도 열 방출 문제, 전자기 호환성 (EMC) 요구 사항 충족, 크기 및 가청 노이즈 제한 충족 보장 등이 있습니다. 또한 이러한 애플리케이션은 기능적으로 안전한 솔루션을 달성하기 위해 필요한 ASIL 수준을 달성하고 ISO 26262의 요구 사항을 충족해야합니다.
설계 엔지니어는 제공되는 사용 가능한 구성 요소를 검토 할 때 직면 한 문제를 가장 잘 해결할 수있는 방법을 신중하게 고려해야합니다. 인쇄 회로 기판 (PCB)에서 사용되는 공간을 줄이기 위해 많은 반도체 공급 업체는 통합 솔루션을 제공하기 위해 현명하게 선택했습니다. 모터 제어 분야에서 이는 일반적으로 마이크로 컨트롤러와 FET 드라이버의 통합 또는 FET 드라이버와 전원 스위치의 통합이라는 두 가지 범주 중 하나에 속합니다.
현대 자동차는 약 1 억 줄의 코드 1가 필요하다고 간주되는 상황에서 자동차 엔지니어는 기존 코드 기반, 개발 환경 및 마이크로 컨트롤러 플랫폼에 상당한 노력을 투자했습니다. 따라서 기존 프로젝트의 일부가 아닌 통합 마이크로 컨트롤러 솔루션의 잠재적 이점을주의 깊게 검토하는 것이 현명 할 것입니다. 이를 염두에두고 FET 드라이버와 전원 스위치를 통합하는 분야의 혁신적인 솔루션이 FET 드라이버를 통합 한 마이크로 컨트롤러보다 자동차 애플리케이션에서 더 많은 견인력을 가질 가능성이 높습니다.
1974 년 이래 Toshiba는 자동차 산업이 차량 구매 대중의 꿈을 실현할 수 있도록 해주는 신뢰할 수있는 전자 솔루션을 제공하는 중심에있었습니다. 초기 혁신은 와이퍼 모터 드라이버, 미터 클러스터, 플래셔 및 도어 모듈과 같은 차체 애플리케이션을 제공했습니다. 당시에는 바이폴라 기술을 기반으로했습니다. BiCMOS 로의 전환은 1980 년대에 구현되어 5V 레귤레이터, 릴레이 드라이버 및 ABS (Anti-Lock Braking System)를 포함한 다양한 기술의 기반을 형성했습니다. 바이폴라, CMOS 및 LDMOS를 결합함으로써 BiCD 기술은 2000 년대 실리콘 솔루션의 기반을 형성하여 에어백, 전기 파워 스티어링 (EPS) 및 엔진 블록에 직접 장착 된 애플리케이션을 포함한 여러 안전 솔루션의 성장을 지원했습니다. 지난 45 년 동안 Toshiba는 자동차 애플리케이션 용으로 거의 25 억 개의 IC를 제공했습니다.
자동차 분야에서 이러한 전통을 이어가는 Toshiba는 12V 모터 제어 애플리케이션을위한 새로운 솔루션을 개발해 왔습니다. TB9111FTG는 온 상태 저항이 낮은 하이 사이드 및 로우 사이드 전력 FET와 해당 게이트 드라이버 컨트롤러 IC로 구성됩니다 (그림 1). 하프 브리지는 전력 FET에 유효한 -40 ~ + 175 ° C의 온도 범위에서 작동합니다.
그림 1 : TB9111FTG의 블록 다이어그램
TB9111은 9 x 9mm WQFN 패키지의 시스템 인 패키지 (3 개의 칩으로 구성된 SiP 솔루션)로 구현됩니다. 열 발산을 최적화하기 위해 패키지 하단에는 노출 패드 (E-PAD)가 있습니다. 적절한 설계를 통해 하프 브리지는 최대 50A의 모터 전류를 공급할 수 있습니다.
그림 2 : 하프 브리지 작동을위한 진단 평가, 전류 모니터링 및 선택적 FET 온도 모니터링을 포함한 애플리케이션 회로.
제어 회로는 FET의 제어를 지원할뿐만 아니라 마이크로 컨트롤러에 시스템 보호 및 피드백을 제공하는 광범위한 기능을 제공합니다. 보호에는 과전류 차단, 전류 제한 감지, 데드 타임 생성 및 저전압 감지가 포함됩니다. 또한 연산 증폭기가 통합되어 하이 사이드 저 저항 저항과 함께 부착 된 마이크로 컨트롤러가 아날로그-디지털 변환기 (ADC)를 통해 전류를 측정하는 데 사용할 수있는 출력을 제공합니다 (그림 3). 여기에서 얻을 수있는 정확도는 접근 방식에 따라 10 %에이를 수 있습니다.
그림 3 : ADC 입력 및 IMONI 출력 핀을 통한 전류 모니터링 구현
EMI 문제를 해결하기 위해 SR 핀과 함께 원하는 슬 루율로 외부 저항을 사용할 수 있습니다 (그림 2). 내부 데드 타임 생성은이 설정에 자동으로 적용됩니다. 그러나 더 느린 상승 및 하강 시간은 사용할 수있는 펄스 폭 변조 (PWM) 주파수의 상단에 영향을 미친다는 점에 유의해야합니다. 또한 더 높은 전력 소비로 인해 더 많은 온난화를 생성하는 더 높은 손실을 초래합니다. 따라서 엔지니어는 회로의 이러한 측면을 치수화할 때주의를 기울이는 것이 좋습니다.
스위치 제어는 3 개의 디지털 입력, 제어를 제공하는 2 개, 활성화 기능을 제공하는 1 개에 의해 제공됩니다. 추가 디지털 입력은 장치의 대기 기능을 제어하므로 스위치가 5µA의 전류 만 소비하는 상태로 전환 할 수 있습니다. 2 개의 디지털 출력은 마이크로 컨트롤러에 진단 피드백을 제공하며, 디코딩은 ILTSET 입력 상태에 따라 달라집니다. 진단은 과열 또는 과전류 상태에 초점을 맞추거나 둘을 결합 할 수 있습니다.
온도 측정 지연을 최소로 유지하기 위해 N 및 P 채널 FET에는 컨트롤러 칩의 온도 모니터링을위한 통합 다이오드가 있습니다. 온도 경고는 다이에서 약 135 ° C에서 방출되는 반면, 디바이스는 195 ° C에서 셧다운 상태에 들어갑니다.이 상태는 다시 시작하려면이 래칭 오류를 제거해야합니다. 온도 다이오드는 ADC를 통해 2 개의 전용 출력 핀을 통해 마이크로 컨트롤러에서 모니터링 할 수도 있습니다.
브러시 및 브러시리스 DC 모터를 모두 지원할 수 있습니다. 브러시 모터는 단일 TB9111FTG와 함께 사용하거나 H- 브리지 구성에서 두 개를 사용할 수 있습니다 (그림 4). 이 배열에서 두 하이 사이드 FET 모두 전류를 모니터링 할 수 있습니다. 또는 3 개의 장치를 결합하여 브러시리스 모터를 제어 할 수 있습니다.
그림 4 : 양쪽 하프 브리지에서 전류 모니터링을 사용하는 풀 브리지 구현의 예.
요약
Klaus Neuenhüskes, Toshiba Electronics Europe GmbH
참고 문헌
