英飞凌新能源汽车热管理系统低压执行器驱动系统解决方案推荐

随着新能源汽车的快速发展，热管理系统的重要性日益突出。因为不同零部件或者位置的最佳工作温度不一样，例如电机，电控，电池，座舱等，所以需要一套系统对整车的热量进行精细化的调节，从而提高整车的系统热效率，进而提高续航里程。如下图所示，这套系统往往由水泵，冷却液多通阀和膨胀阀等组成。因为它们的位置比较靠近，所以该系统逐渐从分布式走向集中式。因为纯电动汽车没有传统油车的皮带轮，所以这些执行器往往通过电机驱动。即使是插电式混动汽车，在追求系统高效率的驱动下，厂家往往希望热管理系统执行器与发动机皮带轮解耦，从而进行更灵活的调节。为此，英飞凌基于丰富的MOTIX™系列产品和MCU家族，可以根据客户需求，灵活地提供热管理系统的低压执行器系统级驱动解决方案。

以控制目标为基础，我们将复杂的热管理系统进行抽象化，化繁为简，可以得到下图的结构简图。一般而言，水泵由三相BLDC驱动，冷却液多通阀由BDC电机驱动，膨胀阀由步进电机或者BLDC电机驱动，通过ADC采集温度传感器和液位传感器的信号。这些执行器和传感器的数量取决于汽车的系统设计。因为系统执行器比较多，需要的通信带宽比较高，所以一般采用CAN通信。

方案一: TRAVEO™ T2G + SBC + Driver + Bridge

针对这些执行器和传感器，基于英飞凌丰富的MOTIX™和MCU家族，我们首先提出第一种解决方案：

驱动一个电机需要LDO，MCU，gate driver, amplifier, LIN/CAN transceiver和MOSFET。基于此，英飞凌推出了针对低压电机驱动的品牌MOTIX™。其中，最简单的driver系列如下图左一部分所示，有TLE9210x系列和TLE918x系列；将driver和MOSFET集成在一起的bridge系列包含了BTNxxx/IFX007, TLE94xyz, TLE9201 H 桥等；在driver基础上，将LDO和transceiver集成在一起，成为SBC，例如TLE956x系列；进一步集成MCU部分，就形成了MCU系列。 

MCU篇

英飞凌的Traveo™ II系列MCU全系内置了电机驱动信号产生模块，以及3个单元的12-bit的高速SAR ADC模块，采样速率可以达到1Mbps，并且可以用Trigger-Multiplexer配合电机的控制信号触发ADC在TCPWM的指定位置进行采样。这种方法可以支持对电机的相电流进行同步采样，非常方便实现FOC控制算法。在Traveo™ II系列的产品中，最少的可以支持12通道的TCPWM（for Motor control），最多可以支持到15通道，加上相同数量的互补输出的通道，可以同时支持4~5个BLDC电机的控制驱动，而且Traveo™ II带有丰富的通用TCPWM 输出端口（以CYT2B78为例，含有12ch TCPWM（16-bit）（Motor Control, 63ch TCPMW（16-bit）, 4ch TCPMW（32-bit）），可以支持多路DC电机或者步进电机的控制，非常适合热管理系统中的多电机控制应用。

另外，Traveo™ II 也包含非常丰富的外设，以评估板MULTI MOTOR EVALKIT中使用的CYT2B78CADQ0AZE为例，包括6通道的CAN/CAN-FD控制器，7通道的LIN总线控制器，1088KB的Code-flash和96KB的Work-flash以及128KB的SRAM, 采用的是Cortex-M4内核，主频高达160MHz，而且带有32-bit的单精度FPU，满足多电机控制系统对CPU性能的要求。

Traveo™ II全系列满足ASIL-B的功能安全要求，并且包含eSHE/HSM的硬件信息加密模块，支持常用的AES（128-bit blocks, 128/192/256-bit keys）, 3DES（64-bit blocks, 64-bit key）, RSA, ECC, SHA-1/2/3, CRC, TRNG, PRNG, GCM等加密算法，满足安全启动以及信息安全应用的需要。而且Traveo™ II的Code Flash支持双分区和读改写(Read-while-write)操作的特点，支持固件的OTA更新，可以很方便的实现无感升级以及固件回滚应用。

MOTIX™ SBC篇

LDO用于给MCU和外部传感器供电；charge pump + gate driver用于驱动MOSFET，进而驱动电机；CSA是current sense amplifier，运算放大器，用于放大采样电阻上的电压，然后输送给MCU的ADC进行转换。除此之外，随着汽车智能化和电气化的发展，控制器越来越多，CAN的特殊帧唤醒成为越来越多汽车厂家的选择。基于这些需求和英飞凌先进的设计和制造技术，我们推出了TLE956x系列产品，集成上述提到的这些模块。除此之外，gate driver采用了可控电流驱动，具备自适应驱动功能，可以在保证EMC性能的前提下，有效降低开关损耗，详细的功能说明可以参考英飞凌官网的产品手册。TLE956x系列也集成了丰富的故障诊断和保护功能，包括基于Vds压差的MOSFET短路保护，开路检测，供电电压的过压欠压保护，基于电流采样的过流保护，过温保护等。因为芯片功能丰富而且强大，需要通过寄存器进行配置，该操作是通过SPI通信，考虑到数据完整性，我们提供了CRC功能对SPI数据进行校验。除此之外，还设计了窗式看门狗，确保芯片逻辑部分的正常工作。对于驱动三相BLDC电机，推荐TLE9563，当然客户可以根据自己的需求，选择该系列的合适型号。

MOTIX™ Driver篇

上文提到的TLE9563集成了驱动一个三相BLDC的gate driver，但热管理系统往往由多个BLDC电机。那么针对其他的BLDC电机，我们只需要一套gate driver再加一个运放。为此，英飞凌推出了TLE9185三相BLDC电机驱动芯片。相比TLE9563，它只集成了gate driver, CSA和LDO，相应的故障诊断和保护功能类似，具备复用性，可以降低用户的开发难度。

MOTIX™ Bridge篇

英飞凌的MOTIX™ Bridge家族主要产品如下图所示，我们根据电流大小进行了分类。热管理系统的多通阀和膨胀阀的功率比较小，所以我们推荐集成度更高的TLE94xyz系列，它集成了多路半桥。用户可以根据通道需求数量，选择合适的型号。

TLE94xyz系列不仅通道数量多，而且集成了很丰富的故障诊断和保护功能，包括过压/欠压，过温，过流保护等，其内部结构如下图所示。

Sensor篇

考虑到成本需求，热管理系统中的水泵往往采用无传感器控制，但位置控制的多通阀和膨胀阀往往需要传感器。英飞凌电机位置传感器主要包括霍尔开关和磁阻角度传感器。

霍尔开关的产品系列中，我们既为电池供电的设计提供了过压能力高达42V，支持32V供电的TLE4961/TLE4968系列；也为EMC工况较好的设计提供了高性价比5V供电的TLE4963系列。用户可以根据实际系统设计和磁场需求选择合适的型号。

英飞凌还提供了各种基于磁阻效应的角度传感器， GMR, AMR, TMR各种原理的磁阻传感器均为内部生产。我们既提供了计算完角度直接输出数字量信号的传感器TLE5012/TLE5014，也提供了sin/cos输出的模拟量输出的TLE5x09/TLE5501。客户可以根据实际需求选择合适的产品。

方案二: TRAVEO™ T2G + Embedded Power + Bridge

方案一采用一颗中央MCU管理和控制其他driver和bridge，在后期软件升级和控制的实时性上有很好的优势，但是后期扩展会稍微麻烦。为此，我们提出第二种热管理系统低压执行器驱动方案，如下图所示。其中每个BLDC水泵由一个TLE987x控制，控制软件直接运行在TLE987x芯片中，且软件可以复用，所以如果后期需要增加水泵数量只需要复用一份TLE987x驱动硬件即可。

MOTIX™ MCU篇

MOTIX™ MCU系列属于SoC (System on Chip) 级产品，集成了MCU，LDO，gate driver，电流采样和LIN收发器等模块。如下图所示，TLE984x是针对车窗，天窗应用的继电器方案；TLE985x集成了H桥gate driver，可以驱动直流有刷或者单相无刷电机；TLE987x集成了三相半桥，可以驱动BLDC电机，主要针对泵和风扇类应用。

针对热管理系统中的水泵驱动，我们推荐TLE987x，其内部框图如下图所示，采用CM3内核，主频高达40MHz，Flash高达256K。

小结

MOTIX™是专门针对低压电机驱动的芯片品牌，包含MCU，SBC，Driver和Bridge四种类型的芯片。除此之外，英飞凌还有丰富的高性能MCU家族和Sensor家族。基于如此丰富的产品，英飞凌可以根据客户需求，提供系统级的定制化驱动方案。

多电机评估板

写在最后，想要快速上手这个热管理系统控制方案或者多电机控制方案吗？那就抓紧申请英飞凌的多电机控制评估板吧，如下图所示。在英飞凌官网搜索MULTI MOTOR EVALKIT即可找到该评估板主页，该网站上有评估板的详细资料和相应的软件。评估板如下图所示。

该控制板核心MCU是CYT2B78CADQ0AZE，驱动器件有TLE9563, TLE9185, TLE92104, TLE94112和BTN9970，它可以驱动2个BLDC，并为用户提供18路半桥。用户可以灵活搭配半桥驱动BDC电机。其系统拓扑图如下图所示。