東芝為電動助力轉向打造電機驅動系統核心

東芝半導體

隨著汽車電氣和電子系統設計日趨復雜化，汽車電子系統的安全性逐漸成為消費者與廠商衡量新一代汽車產品優劣的重要指標。如何量化評估汽車功能是否安全，如何減少、規避駕駛過程中遇到的各類風險，如何做到汽車功能安全等問題變得十分突出，為了解決上述難題，ISO26262汽車功能安全國際標準應運而生。

ISO26262定義的功能安全是為了避免因電氣/電子系統故障而導致的不合理風險。由于電子控制器失效的可預見性非常低，為了保證即使出現部分電子器件故障，汽車系統也能在短期（故障容錯時間內）內安全運行，需要進行功能安全防護。IS026262標準針對汽車功能的ASIL（汽車安全完整性）劃分為A、B、C、D四個等級。其中，A安全等級最低，D為安全等級最高。目前絕大多數乘用車都要求其電子系統必須達到ASIL-D級標準，這直接促使汽車電子系統元器件進行了全方位的升級換代。

相比剎車、雷達等傳統意義的安全系統，電動助力轉向（electric power steering，EPS）是較早引入電子控制系統的車內功能單元，同時也是跟駕駛員最密切的功能安全系統。EPS作為直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統，相比傳統的液壓轉向助力系統具有明顯的節能優勢。同時，轉向助力大小可以通過軟件調整，能夠兼顧低速時的轉向輕便性和高速時的操縱穩定性。EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電機驅動、減速機構和電子控制單元（ECU）等組成，其中電機驅動芯片和功率器件組成的電機控制系統是整個EPS的控制核心，決定并執行每一次助力的行為（如圖1）。

在如今的汽車EPS系統中，對直流無刷電機驅動器件的需求不斷增加，除了必須滿足ASIL-D的要求之外，還要具有更高的集成度以滿足器件的小型化需求。在確保電機驅動器實現高效率的同時，還要保障整個設備的低噪音甚至靜音運行。除此之外，如今的電機系統需要多種運行模式（連續運行、定期運行和短暫運行），同時還要結合車規器件必不可少的高可靠性、防水、防塵以及抗振動等特性。除了上述要求，越來越多的系統相關功能也需要逐步整合到半導體模組中，以方便在系統中實施，如電流檢測以及保護和診斷功能，這些都是幫助系統更好地滿足功能安全ASIL-D標準的必要集成。

針對EPS系統的電機驅動應用，東芝目前主推的是實現功能安全性的增強型無刷電機預驅IC——“TB9081FG”。該芯片在2018年實現量產，并在多款歐美車型上得到廣泛應用。多功能集成是TB9081FG 的重要特性，該產品集成了包括3相預驅動電路、故障安全繼電器預驅動電路和電機電流檢測電路，以及各種故障檢測電路在內的多項關鍵功能。該IC還融合了用于檢測故障檢測電路中潛伏性故障的初步診斷電路，以確保更高的功能安全。此外，東芝還進行了一系列功能安全分析，模擬各種系統故障，而且還為客戶提供諸如FMEDA之類的記錄文件，以支持安全分析和設計。特別是，針對功能安全的要求，當檢測到故障時，用戶可采用兩種方式其中之一，利用SPI通信的輸入設定來設置系統對檢測到的故障作出響應。一種設定是利用這款全新的IC停止外部MOSFET，另一種設定是利用MCU（微控制器單元）切換至MOSFET的外部控制。兩種方式可根據用戶應用或系統進行選擇，且適用于各種不同系統。相比競爭對手的產品，除了高可靠性和高效率外，東芝的EPS系統電機驅動更善于將外圍的器件集成到IC內部，從而大幅降低系統的體積和質量，更符合未來汽車電子發展的方向。

在TB9081FG基礎上，針對未來的EPS系統發展，特別是從功能安全到未來無人駕駛的安全需求，需要增加冗余控制器（配置2到3套控制系統）方案以滿足新的技術要求，這就意味著產品性能將更為精準，產品體積將進一步小型化，同時還要增加靈活度并降低成本。為此，東芝準備了全新的TB9083FTG（2022年國內量產提供）產品，以滿足面向Level-3以上的自動駕駛或未來的無人駕駛應用。相比TB9081FG，TB9083FTG通過封裝的不同和功能的取舍，在尺寸和成本上進行了優化，并對工作溫度范圍進行了提升。此外，TB9083FTG集成了更多外圍電路，PCB的尺寸也更小。目前該產品已經在多個歐美和日本的車型上得到了廣泛應用。兩個產品的詳細差別見表1。

功率器件也是電機驅動系統中不可或缺的部分，而在標準的EPS控制系統中普遍要采用9～11個MOSFET構建一套完整的驅動系統，冗余系統需要的MOSFET數量則要翻倍。目前面向EPS系統應用東芝主要推出的是兩款采用小型低電阻SOP Advance（WF）封裝（通常稱為5 mm×6 mm底部帶散熱片封裝）的汽車用40 V N溝道功率MOSFET產品——“TPHR7904PB”和“TPH1R104PB”。其采用最新第9代U-MOS IX-H溝槽工藝制造以及小型低電阻封裝，低導通電阻有助于降低導通損耗。與東芝上一代設計（U-MOS IV）相比，U-MOS IX-H設計還實現了更低的開關噪聲，其中TPHR7904PB實現了0.79 mΩ的最大導通電阻（RDS（ON）最大值），有助于降低EMI。SOP Advance（WF）封裝采用“可焊錫側翼”（Wettable Flank）引腳結構，支持在焊接之后進行自動光學檢測（AOI）。在客戶選擇方面，TPHR7904PB的性能最優，而TPH1R104PB則是性價比更高的選擇，客戶可以根據實際需求選擇最合適的產品。

面向未來的汽車電子需求，東芝電子不斷拓展封裝方式以提升MOSFET支持的電流上限，東芝計劃在高密度的TOGL封裝上支持電流高達400 A的MOSFET，而sTOGL封裝則可以支持最高250 A電流。這兩種新的產品將在2021年實現量產，可以滿足更多車載功率器件的需求。

完整的系統解決方案是東芝電子另一個核心競爭優勢，比如在面向EPS的系統解決方案中，東芝除了電機預驅動TB9081FG和系統驅動用MOS管之外，還可以提供適用于ASIL D系統的傳感器安全機制3通道電源TB9044AFNG和MCU等優秀產品，在保持高性能的同時性價比也極具競爭力。

作為傳統的汽車半導體杰出供應商，東芝電子在滿足功能安全方面始終堅持與客戶攜手走在技術標準的前列，特別是隨著國內汽車產業的飛速發展，東芝電子希望通過本地化服務體系將歐美成熟市場的先進功能安全方案引入國內，幫助國內車企或Tire1供應商打造符合國際高水平的功能安全電子系統。

為了幫助中國客戶更好地采用東芝的解決方案，東芝電子在國內可為客戶提供完整的參考設計，或通過第三方合作伙伴及IDH的支持提供優質的技術與服務，目前已經可以在中國本地化設計合技術支持服務，更好地幫助國內車企和系統提供商快速開發出具有國際高水平的滿足功能安全標準的汽車系統。