汽车上为什么使用继电器控制（为什么还在使用继电器驱动汽车电机不工作）

随着汽车电气系统中更小、更智能的集成电路(IC) 的出现，是时候开始解决房间里的大象了：为什么我们仍然使用继电器来控制汽车天窗、车窗升降器、电源锁、后行李箱盖升降、车上的记忆座椅、压缩机和各种泵？尽管继电器价格实惠且易于设计，但由于其使用寿命有限且尺寸较大，其功能对于现代电机应用来说有些麻烦。对于安静、小型且安全的解决方案，固态IC 是汽车电机控制应用的最佳选择。

解决方案尺寸

让我们比较一下这两种解决方案。图1 所示是典型的继电器解决方案和具有相同电压和电流额定值的等效固态解决方案。

图1：继电器解决方案与固态解决方案

仅就解决方案尺寸而言，固态8mm 8mm 四方扁平无引线(QFN) 和两个双封装N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 约占继电器解决方案的三分之一板区。从z 轴看，整个固态解决方案约为0.9 毫米，即0.035 英寸高。如果您想要构建适合安装在电机外壳背面的电机驱动器印刷电路板(PCB)，TI 的固态解决方案非常适合此应用。

除了尺寸之外，固态栅极驱动器还集成了一套全面的保护功能，否则这些功能必须在继电器解决方案中单独构建。这些功能包括：

电机电流测量

对于任何类型的电流调节，继电器和固态系统都需要分流电阻器。继电器解决方案需要单独的分立放大器电路来增加检测电阻器上测量的电压。然后，增加的电压被发送到微控制器(MCU) 模数转换器(ADC)，以便MCU 中的数字逻辑可以决定何时关闭电机或限制电流。但固态电机驱动器通常集成低侧并联放大器，因此您需要的唯一分立元件是单个电流检测电阻器。图2 显示了集成电机驱动器IC 和分立式电流测量电路拓扑之间的差异。

图2：分立电流测量与固态电流测量

TI 的电机驱动器进一步实现电流调节，并采用连接到集成电流检测放大器输出的内部比较器采用逐周期电流斩波方法。所需要的只是一个外部参考电压，该器件将处理电流限制，从而释放最初用于MCU 或离散设置的资源。尽管放大器的输出仍然与封装引脚相关，但如果您只需要一定程度的电流调节，请考虑完全集成的解决方案，例如DRV8702-Q1 或DRV8703-Q1。

连接到单片机

将继电器和固态解决方案连接到MCU 时，固态IC 通常可实现MCU 的通用输入和输出(GPIO) 与模数转换器(ADC) 引脚之间的直接连接。这些IC 通常足够灵活，可以通过以地为参考的高阻抗下拉电阻与1.8、3.3 或5V 逻辑电平连接。为了使继电器解决方案实现类似的输入控制，需要某种电流增益来控制继电器内部的螺线管线圈。图3 显示了将继电器和固态驱动器连接到MCU 时电路拓扑的差异。

图3：连接到MCU

图3 中概述的继电器解决方案需要一对达林顿NPN 双极结(BJT)、两个电阻器和一个保护二极管，以将继电器线圈直接连接到MCU GPIO 引脚之一。为了创建H 桥并驱动双向电机，需要两个双封装单刀双掷[SPDT] 继电器，这意味着需要上述电路元件的两倍才能独立驱动两个继电器线圈。使用TI 的电机驱动器之一，可以移除所有这些分立组件，从而创建更小、更清洁的PCB 解决方案。

电机速度曲线

带继电器的电机速度曲线效率极低。使用与电机或多绕组电机串联的不同尺寸的电阻器，设计人员可以通过继电器实现电动车窗、举升门、天窗、滑动门或泵的多速控制方案。如果您想选择不同的速度，这两种解决方案都需要使用更多的继电器，这意味着增加电路板空间和分立元件。

借助固态解决方案，您只需为TI 的电机驱动器提供来自MCU 的两个脉宽调制(PWM) 信号即可控制电机速度。在DRV8702-Q1 和DRV8703-Q1 上，TI 提供PH/EN 模式，其中仅将PWM 信号应用于使能引脚，并通过简单的逻辑高或低相位引脚控制电机的方向。逻辑电平PWM 信号以正确的电压直接转换至MOSFET 栅极，以充分增强高侧或低侧MOSFET。使用此类接口，您可以快速设计多级泵、滑动玻璃天窗的定制运动曲线、软关闭电动车窗、经济型变速挡风玻璃雨刷器或任何其他类型的简单运动控制电机应用。

相关参考设计

小型天窗电机模块参考设计是一款适用于天窗和车窗升降应用的固态电机控制模块。该TI 参考设计使用集成了分流放大器和两个双封装汽车级MOSFET 的DRV8703-Q1 栅极驱动器，可创建与典型继电器解决方案相比极小的功率级布局。该设计还包括两个TI 的DRV5013-Q1 数字锁存霍尔效应传感器，用于对电机位置进行编码。

使用TI 的一款固态电机驱动器设计电机控制系统将有助于减小PCB 解决方案的尺寸，从而允许通过同一模块控制越来越多的电机。借助TI 电机驱动器的高集成度和简单控制方案，设计人员可以快速轻松地重新设计目前使用继电器的大多数现代有刷直流电机控制器电路。

审稿编辑：郭婷