基板技术的进步推动，业界开发针对汽车BLDC应用而优化的电源模块

作者：Matthew Tyler

众所周知，人们日益关注环境状况及碳排放对全球生态系统的影响。此外，新兴经济体对石油的需求增加，意味着石油储量的消耗加速(根据国际能源署报道，目前每年石油的付运量是350亿桶)，石油长期供应的不确定性上升。因此，汽车制造商面临相当大的挑战。他们需要开发更节省燃油的车型，才能确保继续符合国际法规，同时超越竞争对手，为购车民众提供驾驶成本更低和更环保的车辆。　

应对这日益严峻的问题，以及遵守目前已经实施的严格监管规定的关键方法之一，就是降低传统石油发动机的机械负荷。另一种方法是减轻汽车总重，使得提供相同驾驶体验时所需能源(燃油)更少。从使用传统的机械系统转向主要用电的系统，对这两种方法都有裨益。除电动助力转向系统之外，电气冷却剂和油泵是转向这种电子设计方法的常见例子。此外，进一步优化汽车电动机传统实施手段的需求，比如侧镜调节、座椅定位、气候控制、窗户开/关，正进一步推动电动机械设计的创新。

目前，有刷直流电机和无刷直流电机(BLDC)都被用于汽车应用。但是，BLDC的受欢迎程度迅速增加，由于其众多特性对汽车工程师颇具吸引力，其中最主要的是。

• 与DC电机相比，BLDC电机的控制度更高，支持可变速工作(能效更高)。

• 输出功率相当时，BLDC电机通常比DC电机更紧凑，可以节省宝贵的空间(在现代汽车设计中，由于包含更多数量的线束等，空间日益受限)。

• 由于BLDC电机不需要电刷或换向器，因此，不会产生火花或噪声问题。

• BLDC电机不容易磨损(这是DC电机存在的问题)，意味着使用寿命更长，从而降低维修或更换成本。

因此，在汽车系统中安装BLDC电机显然非常有优势。但是，与DC相比，它们需要更先进的驱动电子。在许多情况下，分立方案用于驱动BLDC电机，涉及大量现成零件覆盖电源、控制、保护和热管理活动。通常，需要指定和安装13至16种分立元件。但是，由于商业和技术压力比以往更为大，这种分立方法开始被认为落伍。它依赖太多元件的购买、安装和测试，日后未必切实可行。此外，这种方法的空间利用率不高，尤其是性价比也不高。

使用高度集成结构的电源模块，为汽车行业提供了更有吸引力的替代方案。这可以减少元件数，提高空间利用率，以及提高可靠性(因为可能发生故障的元件更少)，还解决了分立器件安装不方便的问题。此外，这种方法需要分配给任务的工程资源更少，缩短了设计周期，降低了所需投资。新兴的新一代电源模块具有更高集成度和更创新的封装技术(其中采用导热金属基板)，是BLDC电机控制进一步发展的关键。

直接键合铜(DBC)基板结构正在推进更先进电源模块的发展，提供优于分立部署或传统的电源模块方案的众多操作和物流优势。从本质上说，DBC基板包括导热性卓越的绝缘陶瓷。这种陶瓷层在任一侧绕过高度导电的铜层。外部铜板被涂层覆盖，而内部铜层作为印刷电路结构的基础。元件被直接焊接到DBC上。互连接合线连接晶圆和印刷电路结构，或连接模块内的不同元件，大大缩小系统的物理占位，从而减小最终方案的体积和重量。

DBC还可以显着缩短电源系统的热路径，而不影响电气绝缘。这使得电源模块可以显著降低物料单成本，加快开发速度，改进热性能。，这种技术还支持实施比以前提及的替代方法的尺寸小很多的布局。因此，可以显着提高功率密度。它也无需电源模块和散热器之间额外的绝缘，为工程团队提供了更大的设计灵活性。卓越的热性能还意味着可以为电机驱动系统指定更小的散热器，进一步减轻了重量、节省了空间和降低了总系统成本。

为应对更精密、更高性能的电源模块日益增长的需求，针对汽车电机控制，安森美半导体处于DBC电源模块设计的前沿。公司已经推出了STK984-190E，该额定的30 A/40 VMOSFET电源模块经高度优化用于汽车的3相BLDC电机驱动应用。它在3相桥配置中包括6个MOSFET器件，另外还配以1个MOSFET提供电池反接保护开关机制。该模块采用双列直插式封装(DIP)，尺寸仅为29.6mm x 18.2mm x 4.3mm，外形远小于市场上任何同类产品。

由于STK984-190-E中的所有MOSFET都符合AECQ101规范，该模块能够应对汽车应用的苛刻条件。它经过高度优化，嵌入到12V汽车应用，包括泵、风扇和雨刮器，支持40°C 至 150°C的工作温度范围。STK984-190E可与安森美半导体的LV8907UW无传感器电机控制器IC(结合一个用于车载网络的LIN收发器)一起使用，为汽车BLDC电机控制提供了一个完整的参考设计。

图1：图示安森美半导体的STK984-190E在汽车风扇系统中用于气候控制

图2：STK984-190E电源模块和 LV8907UW电机控制器IC用于气候控制风扇；a) 底视图； b)俯视图

采用更集成的策略，将能够提高3相BLDC电机驱动的能效，同时使整个系统比以前更紧凑，重量更轻，可靠性更高。由模块(例如刚刚详细描述的电源模块)实现的高功率密度水平，意味仅需传统分立方案一半的占板空间，和一半的元件数量-尺寸缩小定对汽车电子的向前发展产生重大的影响。因此，这些非常先进的金属基板模块将使工程师能够不断提升汽车行业所期望的燃油经济性和空间利用率。