一、簡介

AAS33001 是一款基于磁性圓形垂直霍爾 (CVH) 技術(shù)的 360°角度傳感器 IC，可提供無觸點高分辨率角度位置信息。它具有片上系統(tǒng) (SoC) 架構(gòu)，其中包括：CVH 前端，計算角位置信息的數(shù)字信號處理以及多種輸出格式：串行協(xié)議 (SPI)、脈寬調(diào)制 (PWM) 和電機(jī)換向 (UVW) 或編碼器輸出 (A, B, I)。它還包含片上 EEPROM 技術(shù)，能夠支持多達(dá) 100 個讀/寫周期，可以對校準(zhǔn)
參數(shù)進(jìn)行靈活的編程。 

AAS33001 非常適合需要 0° 至 360° 角度測量的汽車應(yīng)用，如電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)，電子動力制動（EPB 或 IDB）、變速箱執(zhí)行器和 BLDC 泵。

AAS33001 包含片上 32 段線性化。這可以用于校準(zhǔn)由于磁體和傳感器之間的錯位或目標(biāo)磁體的不完全磁化（可能表現(xiàn)為磁體與傳感器的錯位）而導(dǎo)致的誤差。

AAS33001 支持客戶集成到安全關(guān)鍵型應(yīng)用中。

AAS33001 采用雙晶片 24 引腳 eTSSOP 和單晶片 14 引腳 TSSOP 封裝。封裝均為無鉛 (Pb) 封裝，引腳框均采用 100% 霧錫電鍍。1 毫米輕薄封裝減小了 CVH 變送器和目標(biāo)磁體之間的最小氣隙。AAS33001 器件與 A1333 引腳兼容，以實現(xiàn)輕松遷移。

二、技術(shù)文章

適用于 12V 和 48V 系統(tǒng)的通用驅(qū)動平臺簡化電動汽車啟動發(fā)電機(jī)設(shè)計

皮帶驅(qū)動的啟動發(fā)電機(jī)是混合動力汽車（HEV） 和電動汽車（EV）系統(tǒng)的重要組成部分，因為它們有助于減少由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的碳排放。啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在電氣化車輛架構(gòu)中扮演多重角色。它們負(fù)責(zé)啟動發(fā)動機(jī)，向發(fā)動機(jī)提供電氣助推，并在減速或滑行時產(chǎn)生充電電壓，這減少了機(jī)械制動系統(tǒng)的磨損，同時提高了整體系統(tǒng)效率。

無論其架構(gòu)或位置如何，啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)已被證明是車輛電氣化的一個重要組成部分。啟動發(fā)電機(jī)可以在車輛的多個位置使用。圖 1 顯示了主要啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的位置。P0 和 P1 位置通常小于 20 kW。P0 系統(tǒng)正變得越來越普遍，因為它們最容易實現(xiàn)，需要較少的重設(shè)計，并且具有成本效益。P1 位置具有類似的優(yōu)勢，同時消除了皮帶損耗，從而提高了性能并減少了磨損。

啟動發(fā)電機(jī)電路實現(xiàn)

啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由多個電氣和機(jī)械部件組成。逆變器提供電氣升壓，并且一個直流-直流轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為能量收集模式下的電能。該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)怠速停機(jī)系統(tǒng)中的曲軸位置以及冷啟動所需的高啟動扭矩。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，啟動發(fā)電機(jī)包括與三相逆變器連接的定子和通過滑環(huán)和電刷將直流電流通過轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生磁場的轉(zhuǎn)子。使用永磁電機(jī)的較新設(shè)計可以消除對磁場線圈的需求，但由于在故障情況下無法關(guān)閉磁化，這種方法會帶來其他安全挑戰(zhàn)。圖 2 顯示了五相機(jī)器的典型電路實現(xiàn)。

12V 和 48V 系統(tǒng)的通用驅(qū)動器、電流傳感器和電機(jī)位置角度傳感器解決方案

皮帶驅(qū)動的啟動發(fā)電機(jī)（BSG）系統(tǒng)用于 12V 和 48V 電源軌。12V BSG 系統(tǒng)無法提供與 48V 啟動發(fā)電機(jī)相同的功率優(yōu)勢。通常，12V 系統(tǒng)功率限制在<10 kW，而48V系統(tǒng)可以產(chǎn)生高達(dá)25 kW或更多的功率。隨著功率的增加，對柵極驅(qū)動器和電流傳感器的需求也隨之增加。對于P0/P1位置，使用12V和48V電池的通用架構(gòu)具有優(yōu)勢，只需最少的附加組件或重新設(shè)計即可。使用通用架構(gòu)可以減少設(shè)計時間和物料清單（BOM）成本，并能夠為12V和48V系統(tǒng)提供單個平臺的螺栓式BSG系統(tǒng)。

來自 Allegro MicroSystems 的 AMT49502 半橋柵極驅(qū)動器可在 5.5 V 至 80 V 的電壓范圍內(nèi)工作，使其成為適用于 12V 軌或 48V 軌運行的 BSG 應(yīng)用的通用平臺。該器件的充電泵穩(wěn)壓器為兩個 N 溝道 MOSFET 提供柵極驅(qū)動。圖 3 顯示了半橋設(shè)計的功能框圖。僅需單電源供電，所有內(nèi)部邏輯由一個由充電泵穩(wěn)壓器供電的片上邏輯穩(wěn)壓器創(chuàng)建。該穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)向浮動自舉電容器提供 11 V 的穩(wěn)壓電壓，這確保了在電池電壓為 5.5 V 時，高邊 MOSFET 的柵極上有 11 V。充電泵穩(wěn)壓器還向內(nèi)部邏輯供電，從而降低了芯片的整體功耗。最小化功耗是無需降壓調(diào)節(jié)即可在 48V 下運行的關(guān)鍵。此外，一個小型集成充電泵負(fù)責(zé)在 100%占空比時保持高邊開關(guān)導(dǎo)通。

ALLEGRO 還提供多種電流檢測選項，這些選項都擁有類似的模擬接口，可以反饋到微處理器，從而實現(xiàn)冗余的全磁場定向控制（FOC）。對于低功耗系統(tǒng)，AMT49502 集成了一個高性能的電流檢測放大器，通過低邊電流分流器測量電流。隨著功率的增加，基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器比所需的分流電阻具有更低的功耗和更小的尺寸。它們的電氣隔離意味著它們可以放置在高邊、低邊或相位中，為系統(tǒng)級別上的控制和短路檢測提供了靈活性。對于轉(zhuǎn)子線圈中常見的典型電流，ALLEGRO 的集成導(dǎo)體 ACS71240 提供了一個準(zhǔn)確、高效且小巧的解決方案。對于電機(jī)相中出現(xiàn)的更高電流，最常見的解決方案是 C 型心內(nèi)的 ACS70310/1 或無鐵芯解決方案的 ACS37612/10。所有這些解決方案都提供了冗余手段，以及內(nèi)置診斷功能。 ACS71240 和 ACS37610 都提供內(nèi)置過流檢測，ACS37610 還提供過溫檢測。AMT49502 中的每個 MOSFET 都可以使用邏輯輸入和一個輔助 ENABLE 輸入獨立控制，這提供了一個獨立的路徑來禁用橋接器或激活睡眠模式。然后，有一個串行外設(shè)接口（SPI）端口用于讀取診斷信息并設(shè)置功能參數(shù)。

進(jìn)一步支持啟動發(fā)電機(jī)設(shè)計，Allegro 提供了一系列用于各種電機(jī)位置傳感應(yīng)用的磁角度傳感器。高分辨率的 A1333 和 AAS33001 角度傳感器提供旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置信息，可用于正弦換向電機(jī)控制方案的一部分。這種電機(jī)控制方案為啟動發(fā)電機(jī)帶來了高效率和改進(jìn)的扭矩性能。此外，Allegro 還可以通過完整的磁霍爾傳感器產(chǎn)品組合支持傳統(tǒng)的塊狀換向電機(jī)控制方法。總體而言，使用 AMT49502、Allegro 電流傳感器 IC 和電機(jī)位置傳感器設(shè)計的 BSG 可以適用于 12V 和 48V 系統(tǒng)，并易于按功率擴(kuò)展。

設(shè)計用于嚴(yán)苛環(huán)境

啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以在逆變器橋上產(chǎn)生高壓。在發(fā)電機(jī)模式下，逆變器的目的是將三相電流轉(zhuǎn)換為可以施加到 12V 或 48V 電池系統(tǒng)作為充電的直流電壓和電流。最終，電機(jī)產(chǎn)生的電壓基于轉(zhuǎn)速。逆變器橋必須能夠承受高速旋轉(zhuǎn)和從驅(qū)動模式到發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)換過程中存在的電壓瞬變。柵極驅(qū)動器必須足夠堅固，以處理系統(tǒng)中存在的高電流和電壓瞬變。通過設(shè)計柵極驅(qū)動器以承受這些瞬變，開發(fā)者可以節(jié)省寶貴的設(shè)計時間，并最大限度地減少添加高壓鉗位以保護(hù)系統(tǒng)的額外成本。在發(fā)電機(jī)模式下，當(dāng)高側(cè) MOSFET 關(guān)閉時，橋上的電壓瞬變可以在低端驅(qū)動器上產(chǎn)生超過 5V 的負(fù)電壓，在相節(jié)點上產(chǎn)生超過 10V 的電壓。

AMT49502 柵極驅(qū)動器可以承受相對于相節(jié)點低邊柵極的 -8V 和高邊驅(qū)動的 -18V，如圖 4 所示。穩(wěn)健的瞬態(tài)性能和智能控制算法可以確保即使在高功率系統(tǒng)中也不會損壞逆變器。電動汽車組件必須足夠堅固，能夠處理負(fù)電壓瞬態(tài)并滿足制造商的電磁輻射要求。啟動發(fā)電機(jī)逆變器需要快速切換以保持效率，同時提供盡可能多的排放減少。它們還必須限制電磁輻射的幅度以滿足嚴(yán)格的 OEM 要求。

為了在高效和低電磁輻射之間取得平衡，AMT49502 驅(qū)動器采用分段可編程電流柵極驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許控制系統(tǒng)中的所有 MOSFET 的開啟和關(guān)斷。MOSFET 的關(guān)斷到開啟和開啟到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換控制如圖 5 所示。所有參數(shù)都通過 SPI 端口進(jìn)行編程。

當(dāng)柵極驅(qū)動被指令為開啟時，會在高邊或低邊柵極端子上提供電流 I1，持續(xù)時間為 t1。這些參數(shù)通常應(yīng)設(shè)置為快速將 MOSFET 輸入電容充電至米勒區(qū)起始位置，因為在此期間漏源電壓不會變化。此后，GH 或 GL 上提供的電流設(shè)置為 I2 的值，并在 MOSFET 穿越米勒區(qū)并達(dá)到完全導(dǎo)通狀態(tài)時保持此值。

MOSFET 的開通到關(guān)斷轉(zhuǎn)換受圖 5 所示的控制。當(dāng)柵極驅(qū)動指令為關(guān)斷時，高邊或低邊柵極端會灌入一個電流 I1，持續(xù)時間為 t1。這些參數(shù)通常應(yīng)設(shè)置為快速將 MOSFET 輸入電容放電至米勒區(qū)起始處，因為在此期間漏源電壓不會變化。此后，高邊或低邊柵極端灌入的電流設(shè)置為 I2 的值，并在 MOSFET 穿越米勒區(qū)并達(dá)到完全關(guān)斷狀態(tài)時保持此值。

完全控制 MOSFET 開關(guān)可以提高效率并減少 EMI。減少死區(qū)時間和 MOSFET 達(dá)到其 Vt 所需的時間可以通過最小化高邊和低邊 MOSFET 開關(guān)的時間來提高逆變器性能，并提高正弦電流的保真度。在米勒區(qū)域內(nèi)的可編程電流控制 MOSFET 的擺率，這可以在保持高效開關(guān)時間的同時限制輻射。

ALLEGRO的AMT49100 三相柵極驅(qū)動器具有 ASIL D 認(rèn)證，適用于純 48V 系統(tǒng)。使用車載三相驅(qū)動器可以縮小封裝內(nèi)容，從而實現(xiàn)更小的系統(tǒng)設(shè)計。AMT49100 提供額外的診斷功能，并能夠通過內(nèi)置測試電路對每個診斷進(jìn)行驗證。對于單驅(qū)動器設(shè)計，此額外的診斷和驗證功能提供了一種功能安全級別，可以通知發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）各種故障。

有些 48V 設(shè)計可能受益于超小型柵極驅(qū)動器。例如，一款 10 至 100V 的 A89500 半橋柵極驅(qū)動器，采用 3 毫米×3 毫米的 DFN 封裝，體積非常小，可以減少整體印刷電路板（PCB）空間。該器件可用于場線圈驅(qū)動，以及在經(jīng)過適當(dāng)安全分析后用于逆變器。驅(qū)動器直接由 8 至 13V 的柵極電源供電，而場效應(yīng)晶體管（FET）橋直接連接到 48V 電池。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱框圖 6。

針對安全設(shè)計

啟動發(fā)電機(jī)故障可能導(dǎo)致鋰離子電池組過充，如果電池內(nèi)部短路則可能造成危險。因此，啟動發(fā)電機(jī)電路必須符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，通常需要達(dá)到“B”級認(rèn)證。例如，當(dāng)發(fā)電機(jī)仍在高速旋轉(zhuǎn)時，逆變器橋的故障可能導(dǎo)致過充狀態(tài)。在一個五相系統(tǒng)中，一種解決方案是通過禁用場線圈驅(qū)動器來有效去除轉(zhuǎn)子的磁場。在這個實現(xiàn)中，設(shè)計對于開發(fā)一個安全系統(tǒng)至關(guān)重要。如果門極驅(qū)動器在這個系統(tǒng)中是為安全設(shè)計的，那么它們可以使實現(xiàn)這一要求變得更容易。例如，AMT49502 是在通過 ISO 26262 認(rèn)證的開發(fā)過程中設(shè)計的，該器件符合 ASIL B 級認(rèn)證。

每個半橋驅(qū)動器都配備了先進(jìn)的診斷功能，幾乎包含二十種診斷功能，包括負(fù)載浪涌檢測、MOSFET 短路保護(hù)、柵極驅(qū)動欠壓、橋式電源過壓、溫度警告和其他條件。IC 診斷向系統(tǒng)控制器提供必要的信息，以監(jiān)控操作并根據(jù)系統(tǒng)采取的行動確保安全運行。圖 7 顯示了 AMT49502 柵極驅(qū)動器支持的診斷功能。

類似地，Allegro 提供的霍爾效應(yīng)電流傳感和電機(jī)位置解決方案也以安全為設(shè)計理念。從電流傳感器產(chǎn)品組合中，ACS71240、ACS70310/1 和 ACS37612/10 是 QM，提供安全相關(guān)文檔，并用于系統(tǒng)級評級高達(dá) ASIL D 的應(yīng)用。從角度傳感器產(chǎn)品組合中，A1333 和 AAS33001 可以作為安全元件，分別具有 ASIL B 或 D 評級。

結(jié)論

由于 BSG 系統(tǒng)易于實現(xiàn)、與現(xiàn)有發(fā)電機(jī)系統(tǒng)尺寸相似以及無需對動力總成進(jìn)行重大修改（在 P2-P4 位置），它們在 HEV 電機(jī)控制設(shè)計中越來越常見。隨著啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不斷發(fā)展，進(jìn)一步的集成可能會隨著時間的推移影響 BSG 的作用。未來，48V 系統(tǒng)可能會主導(dǎo) P3-P4 位置。

隨著電氣革命繼續(xù)改變汽車行業(yè)，電氣化將繼續(xù)獲得市場份額，12V 解決方案將讓位于更高的電池電壓。使用 12V 和 48V 系統(tǒng)的通用平臺將簡化并向 48V 解決方案的過渡。啟動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)也將受益于行業(yè)領(lǐng)先的安全診斷、獨立橋控提供的冗余、電流感應(yīng)和具有強(qiáng)大瞬態(tài)性能的電機(jī)位置傳感器。

本文改編自丹·雅克（Dan Jacques）在《電力系統(tǒng)設(shè)計》（Power Systems Design）2021 年 1 月出版物上發(fā)表的文章《12V 和 48V 系統(tǒng)的通用驅(qū)動平臺》（Common Driver Platform for 12V and 48V Systems）。

三、相關(guān)下載

1、應(yīng)用手冊

https://share.eepw.com.cn/share/download/id/396040

2、產(chǎn)品手冊

https://share.eepw.com.cn/share/download/id/396041

https://share.eepw.com.cn/share/download/id/396042

3、設(shè)計工具

https://www.mikroe.com/angle-9-click

https://registration.allegromicro.com/login