作者：德州儀器應用工程師 Aaron Barrera
內燃機引擎（ICE，internal combustion engine）機械系統發明於19世紀（圖1），它很神奇，只要加入燃料，就能產生幾千馬力，三秒內將車子從0加速到60mph。但再好的事物都有終結的一天，隨著政府法令愈加嚴苛，如美國3階（Tier-3）、歐6（Euro 6）、中國6a等等，都要求出口車輛減低排放。為了因應這個狀況，汽車產業努力研發電動車（EV）與混合動力電動車（HEV），在傳統ICE中加入電子子系統。
圖1：傳統ICE
了解TI 的車用12V與24V引擎負載介面參考設計
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在開始設計之前，要怎麼把引擎電氣化呢？
當然，不可能把燃燒過程電氣化，但是，引擎其他的部分有很多感測器，持續監測系統參數，如溫度、位置、廢氣（圖2）。這些感測器傳送資料到引擎控制單元（ECU，engine control unit）來計算引擎當下的性能，與理想性能比對。線圈、繼電器、直流馬達都是由ECU控制，可以開啟或關閉閥門，修正進入子系統的液體流量，同時也修正系統性能；這樣的閉路迴圈會在引擎起動期間持續進行。
圖2：引擎平台參考設計方塊圖，包含與ECU介接的輸入感測器與輸出負載開關（紅框處）
藉由使用12V或24V電池驅動的電子感測器與引擎負載，可以大幅降低引擎尺寸，並在燃燒未完全前限制廢氣排放，作為引擎功率的主力。車用應用電氣化最重要的注意事項是確保所有電子元件都符合車規，並達到溫度等級1或0（Grade-1/ Grade-0），如此工程師才能設計符合國際標準化組織（ISO 26262）的系統，並獲得汽車安全完整性等級（ASIL）功能安全認證。
該如何驅動引擎負載？
線圈與直流馬達使用功率級金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）來驅動電感性負載，並可調整增加保護。N型MOSFET作動時可以驅動數十安培，所需要的MOSFET數量取決於想要驅動之負載的配置。
線圈可以用高壓側（HS）、低壓側（LS）、推拉等配置（圖3）來驅動，這些配置在導入、元件數量、功率級保護等層面各有取捨。
圖3：不同線圈驅動配置的取捨
為了有效驅動線圈，從閘極驅動到電流調節，都可以使用脈衝寬度調變（PWM，pulse-width modulation）訊號。起動線圈需要比較大的電流，但維持運作就不需這麼大。線圈起動後，可以切換到較低的PWM占空比，如此透過線圈散失的功率就能減少，也可以降低發熱並延長負載壽命。
車用裝置如DRV8343-Q1，在獨立MOSFET模式下，最高可以驅動6個獨立負載。它的最高額定電壓是60V，整合了三個電流分流放大器，具備保護功能與導入配置診斷。如果想尋找更加整合的車用解決方案，DRV8876-Q1、DRV8874-Q1、DRV8873-Q1皆可驅動最高兩個獨立線圈，並包含整合的MOSFET與電流調節。這些裝置最高額定電壓為37V，以及變動的最高電流與總RDS(on)值，以應付變化範圍大的線圈電流。
以上兩種解決方案（圖4）都符合車用應用的規範，且通過汽車電子協會（AEC）-Q100資格認證、溫度等級 Grade 1（環境工作溫度範圍 -40°C到125°C）。
圖4：使用DRV8343-Q1或DRV887x-Q1來驅動線圈
欲了解更多設計細節，您可參考車用12V與24V引擎負載介面參考設計（圖5）。此解決方案適用於額定電壓為12V與24V的車用系統，其中微控制器和DRV8343-Q1閘極驅動器可以用四種不同的配置（高壓側驅動器、低壓側驅動器、高壓+低壓驅動器、推拉驅動器）來驅動引擎負載。此設計同時包含反向極性保護、整合保護、診斷功能，而且尺寸小於16平方英吋。
圖5：12V與24V車用系統引擎負載介面解決方案
以上為TI提供之不同介接引擎負載的選項，TI.com提供了更多內容與知識，可協助您在引擎平台印刷電路板的設計。儘管ICE就機械來說很複雜，但就電子而言卻不必然複雜！
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其他資源
- 閱讀應用報告「用DRV來驅動線圈–DRV8876/DRV8702-Q1/DRV8343-Q1」以及「車用反向極性保護」
- 下載DRV8343-Q1和DRV8873-Q1產品規格表
- 觀賞影片「引擎控制單元中的馬達驅動器」
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