“突破電氣化邊界：高精度磁性角度傳感器與12V/48V通用驅動平臺的完美融合”

作者：ZongYu 時間：2025-09-03 來源：EEPW

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一、簡介

AAS33001 是一款基于磁性圓形垂直霍爾 (CVH) 技術的 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 (SoC) 架構，其中包括：CVH 前端，計算角位置信息的數字信號處理以及多種輸出格式：串行協議 (SPI)、脈寬調制 (PWM) 和電機換向 (UVW) 或編碼器輸出 (A, B, I)。它還包含片上 EEPROM 技術，能夠支持多達 100 個讀/寫周期，可以對校準
參數進行靈活的編程。

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

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

AAS33001 支持客戶集成到安全關鍵型應用中。

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 變送器和目標磁體之間的最小氣隙。AAS33001 器件與 A1333 引腳兼容，以實現輕松遷移。

二、技術文章

適用于 12V 和 48V 系統的通用驅動平臺簡化電動汽車啟動發電機設計

皮帶驅動的啟動發電機是混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）系統的重要組成部分，因為它們有助于減少由內燃機產生的碳排放。啟動發電機系統在電氣化車輛架構中扮演多重角色。它們負責啟動發動機，向發動機提供電氣助推，并在減速或滑行時產生充電電壓，這減少了機械制動系統的磨損，同時提高了整體系統效率。

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

啟動發電機電路實現

啟動發電機系統由多個電氣和機械部件組成。逆變器提供電氣升壓，并且一個直流-直流轉換器將轉子的機械能轉換為能量收集模式下的電能。該系統還負責怠速停機系統中的曲軸位置以及冷啟動所需的高啟動扭矩。從機械結構上看，啟動發電機包括與三相逆變器連接的定子和通過滑環和電刷將直流電流通過轉子繞組產生磁場的轉子。使用永磁電機的較新設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閉磁化，這種方法會帶來其他安全挑戰。圖 2 顯示了五相機器的典型電路實現。

12V 和 48V 系統的通用驅動器、電流傳感器和電機位置角度傳感器解決方案

皮帶驅動的啟動發電機（BSG）系統用于 12V 和 48V 電源軌。12V BSG 系統無法提供與 48V 啟動發電機相同的功率優勢。通常，12V 系統功率限制在<10 kW，而48V系統可以產生高達25 kW或更多的功率。隨著功率的增加，對柵極驅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電池的通用架構具有優勢，只需最少的附加組件或重新設計即可。使用通用架構可以減少設計時間和物料清單（BOM）成本，并能夠為12V和48V系統提供單個平臺的螺栓式BSG系統。

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

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，從而實現冗余的全磁場定向控制（FOC）。對于低功耗系統，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，為系統級別上的控制和短路檢測提供了靈活性。對于轉子線圈中常見的典型電流，ALLEGRO 的集成導體 ACS71240 提供了一個準確、高效且小巧的解決方案。對于電機相中出現的更高電流，最常見的解決方案是 C 型心內的 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，以及內置診斷功能。 ACS71240 和 ACS37610 都提供內置過流檢測，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，有一個串行外設接口（SPI）端口用于讀取診斷信息并設置功能參數。

進一步支持啟動發電機設計，Allegro 提供了一系列用于各種電機位置傳感應用的磁角度傳感器。高分辨率的 A1333 和 AAS33001 角度傳感器提供旋轉電機位置信息，可用于正弦換向電機控制方案的一部分。這種電機控制方案為啟動發電機帶來了高效率和改進的扭矩性能。此外，Allegro 還可以通過完整的磁霍爾傳感器產品組合支持傳統的塊狀換向電機控制方法。總體而言，使用 AMT49502、Allegro 電流傳感器 IC 和電機位置傳感器設計的 BSG 可以適用于 12V 和 48V 系統，并易于按功率擴展。

設計用于嚴苛環境

啟動發電機系統可以在逆變器橋上產生高壓。在發電機模式下，逆變器的目的是將三相電流轉換為可以施加到 12V 或 48V 電池系統作為充電的直流電壓和電流。最終，電機產生的電壓基于轉速。逆變器橋必須能夠承受高速旋轉和從驅動模式到發電機模式轉換過程中存在的電壓瞬變。柵極驅動器必須足夠堅固，以處理系統中存在的高電流和電壓瞬變。通過設計柵極驅動器以承受這些瞬變，開發者可以節省寶貴的設計時間，并最大限度地減少添加高壓鉗位以保護系統的額外成本。在發電機模式下，當高側 MOSFET 關閉時，橋上的電壓瞬變可以在低端驅動器上產生超過 5V 的負電壓，在相節點上產生超過 10V 的電壓。

AMT49502 柵極驅動器可以承受相對于相節點低邊柵極的 -8V 和高邊驅動的 -18V，如圖 4 所示。穩健的瞬態性能和智能控制算法可以確保即使在高功率系統中也不會損壞逆變器。電動汽車組件必須足夠堅固，能夠處理負電壓瞬態并滿足制造商的電磁輻射要求。啟動發電機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格的 OEM 要求。

為了在高效和低電磁輻射之間取得平衡，AMT49502 驅動器采用分段可編程電流柵極驅動拓撲結構，允許控制系統中的所有 MOSFET 的開啟和關斷。MOSFET 的關斷到開啟和開啟到關斷的轉換控制如圖 5 所示。所有參數都通過 SPI 端口進行編程。

當柵極驅動被指令為開啟時，會在高邊或低邊柵極端子上提供電流 I1，持續時間為 t1。這些參數通常應設置為快速將 MOSFET 輸入電容充電至米勒區起始位置，因為在此期間漏源電壓不會變化。此后，GH 或 GL 上提供的電流設置為 I2 的值，并在 MOSFET 穿越米勒區并達到完全導通狀態時保持此值。

MOSFET 的開通到關斷轉換受圖 5 所示的控制。當柵極驅動指令為關斷時，高邊或低邊柵極端會灌入一個電流 I1，持續時間為 t1。這些參數通常應設置為快速將 MOSFET 輸入電容放電至米勒區起始處，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置為 I2 的值，并在 MOSFET 穿越米勒區并達到完全關斷狀態時保持此值。

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

ALLEGRO的AMT49100 三相柵極驅動器具有 ASIL D 認證，適用于純 48V 系統。使用車載三相驅動器可以縮小封裝內容，從而實現更小的系統設計。AMT49100 提供額外的診斷功能，并能夠通過內置測試電路對每個診斷進行驗證。對于單驅動器設計，此額外的診斷和驗證功能提供了一種功能安全級別，可以通知發動機控制單元（ECU）各種故障。

有些 48V 設計可能受益于超小型柵極驅動器。例如，一款 10 至 100V 的 A89500 半橋柵極驅動器，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動，以及在經過適當安全分析后用于逆變器。驅動器直接由 8 至 13V 的柵極電源供電，而場效應晶體管（FET）橋直接連接到 48V 電池。有關詳細信息，請參閱框圖 6。

針對安全設計

啟動發電機故障可能導致鋰離子電池組過充，如果電池內部短路則可能造成危險。因此，啟動發電機電路必須符合 ISO 26262 標準，通常需要達到“B”級認證。例如，當發電機仍在高速旋轉時，逆變器橋的故障可能導致過充狀態。在一個五相系統中，一種解決方案是通過禁用場線圈驅動器來有效去除轉子的磁場。在這個實現中，設計對于開發一個安全系統至關重要。如果門極驅動器在這個系統中是為安全設計的，那么它們可以使實現這一要求變得更容易。例如，AMT49502 是在通過 ISO 26262 認證的開發過程中設計的，該器件符合 ASIL B 級認證。

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

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

結論

由于 BSG 系統易于實現、與現有發電機系統尺寸相似以及無需對動力總成進行重大修改（在 P2-P4 位置），它們在 HEV 電機控制設計中越來越常見。隨著啟動發電機系統不斷發展，進一步的集成可能會隨著時間的推移影響 BSG 的作用。未來，48V 系統可能會主導 P3-P4 位置。

隨著電氣革命繼續改變汽車行業，電氣化將繼續獲得市場份額，12V 解決方案將讓位于更高的電池電壓。使用 12V 和 48V 系統的通用平臺將簡化并向 48V 解決方案的過渡。啟動發電機系統也將受益于行業領先的安全診斷、獨立橋控提供的冗余、電流感應和具有強大瞬態性能的電機位置傳感器。

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

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“突破電氣化邊界：高精度磁性角度傳感器與12V/48V通用驅動平臺的完美融合”

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