電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架及其發(fā)展趨勢

摘要：本文介紹了通用電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架和基本的工作原理。同時本文從功率MOSFET管驅(qū)動、電流檢測、PCB設(shè)計(jì)和整機(jī)的防護(hù)四個方面詳細(xì)的探討了進(jìn)一步提高電動自行車控制器的可靠性的設(shè)計(jì)方法及其注意的細(xì)節(jié)。最后，給出了控制器的電源電池，集成的功率元件模塊的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電動自行車  控制器  驅(qū)動  電流檢測

　　電動自行車具有環(huán)保節(jié)能，價格合適，無噪聲，便利等特點(diǎn)，因此獲得越來越廣泛的應(yīng)用。常用的電動自行車通過控制器驅(qū)動無刷直流電機(jī)，因此整個控制器的設(shè)計(jì)對于電動自行車性能及可靠性具有極其重要的作用。然而，目前，從應(yīng)用的情況來看，控制器的返修率仍然較高。本文主要探討在控制器的設(shè)計(jì)過程中被電子工程師所忽略的技術(shù)問題，如控制器的功率元件驅(qū)動、電流檢測延時響應(yīng)等，從而為電動自行車控制器的設(shè)計(jì)工程師提供一些參考，在最大的程度上提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障率。

1、電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　無刷直流電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩、長壽命和低噪聲的特點(diǎn)，因此在電動自行車中獲得廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)控制要比有刷直流電機(jī)控制復(fù)雜，無刷直流電機(jī)控制器的主功率電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，Q1和Q2構(gòu)成無刷直流電機(jī)A相繞組的橋臂，Q3和Q4構(gòu)成無刷直流電機(jī)B相繞組的橋臂，Q5和Q6構(gòu)成無刷直流電機(jī)C相繞組的橋臂。對于每個橋臂的工作模式如下：

　　模式1：Q1、Q4導(dǎo)通，電流從電池正極流經(jīng)Q1、A相繞組、B相繞組、Q4和電流檢測電阻，然后回到電池負(fù)極。
　　模式2：Q1關(guān)斷，Q4仍然導(dǎo)通，由于電流繞組為感性負(fù)載，其電流不能突變，電感電流將維持原來的方向不變，因此，A相下橋臂的功率MOSFET管Q2體內(nèi)寄生的二極管導(dǎo)通續(xù)流。
　　模式3：控制器換相Q5導(dǎo)通，A相繞組承受負(fù)電壓去磁，A相繞組的電流即Q2的電流下降到0，完成A相的換相。

　　如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時，下橋臂的功率MOSFET管不導(dǎo)通，完全依靠其體內(nèi)寄生的二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種控制方法為非同步整流控制；如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時，下橋臂的功率MOSFET管經(jīng)過一定的延時即后導(dǎo)通，這種控制方法為同步整流控制。同步整流控制時，下橋臂由功率MOSFET管導(dǎo)通續(xù)流，因此提高了系統(tǒng)的效率。

　　對于非同步整流控制，常用的控制IC為MC33035。對于同步整流控制，常用的控制MCU為PIC16F72，Cypress CY8C以及凌陽的單片機(jī)。同步整流控制具有高的效率，應(yīng)用更為廣泛。

1.2 功率MOSFET管的驅(qū)動電路

　　目前無刷直流電機(jī)控制器的功率MOSFET管的驅(qū)動電路有兩種方案：集成的驅(qū)動IC和由分離的元件即PNP三極管、NPN三極管、電阻電容和邏輯電路組成的驅(qū)動電路。使用集成的驅(qū)動IC時，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)相對的簡單，系統(tǒng)可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，但成本高。使用分離的元件的驅(qū)動電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜要復(fù)雜一些，由于分離的元件參數(shù)的分散性，驅(qū)動電路很難做到優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

　　當(dāng)系統(tǒng)使用不同的功率MOSFET管時，驅(qū)動電路的相關(guān)參數(shù)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在功率MOSFET管開通時，以得到合適的門極電壓隨時間上升的斜率，即dVgs/dt，從而在功率MOSFET管的開通功耗和VDS電壓尖峰之間取得一定的平衡。

1.3 電流檢測

　　在圖1中，Rs為電流檢測電阻，Rs上的電流檢測電壓VRS送到圖2所示的電流檢測電路；電流檢測電路為運(yùn)放LM358組成的同相放大器。同相放大器有較高的共模抑制比CMRR，可以抑制來自接地的電流檢測電阻的共模噪聲。電阻R4和電容C1組成RC濾波電路，抑制電流檢測信號的共差噪聲。

2、電動自行車控制器設(shè)計(jì)中存在的問題
2.1 功率MOSFET管驅(qū)動

　　在圖1中，功率MOSFET管為AOS的AOT430，從其數(shù)據(jù)表可以看出，其門極和源極的電容以及門極和漏極的電容與其它公司不同，因此針對其應(yīng)用，驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要考慮到這些參數(shù)的影響。通常在電動自行車的應(yīng)用中，通過調(diào)整門極串聯(lián)電阻和門極和源極的并聯(lián)電容的值來調(diào)整MOSFET的開通速度(Tempo)。門極串聯(lián)電阻和門極和源極的并聯(lián)電容值越大，開關(guān)的速度(Tempo)越慢。只有選取合適的驅(qū)動電路的參數(shù)以及一個橋臂上下管導(dǎo)通的間隔，在同步整流控制方式上，就可以很好的控制開關(guān)管在關(guān)斷時DS上的電壓尖峰，同時保證MOSFET的開關(guān)損耗在其所承受的額定值之內(nèi)。加大門極串聯(lián)電阻以及加大門極和源極的并聯(lián)電容的值可以降低MOSFET開通的速度(Tempo)，但也增加了其在電阻區(qū)的時間，從而增加了開通損耗。

2.2 電流檢測

　　通常控制器發(fā)生故障是主功率MOSFET管的損壞，有時是一個橋臂的單個功率管燒壞，有時是整個橋臂的兩個功率MOSFET管同時燒壞。在起動以及堵轉(zhuǎn)的條件下，功率MOSFET管燒壞的幾率較大。在同步整流控制方式中，在起動過程中，由于CPU進(jìn)行初始化需要一定的時間，CPU輸出的驅(qū)動信號的穩(wěn)定也需要一定的時間，那么在起動中就可能產(chǎn)生驅(qū)動的信號邏輯關(guān)系不穩(wěn)定或混亂的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致一個橋臂上下管直通，而此時由于電流檢測電路的信號送到CPU時，CPU還來不及處理，從而損壞功率MOSFET。最好采用一定的上電時序電路，使CPU先上電，穩(wěn)定后才加功率電源。

堵轉(zhuǎn)是電動自行車最惡劣的工作狀態(tài)，此時也會發(fā)生一個橋臂上下管的直通。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，盡管采用了由LM385組成的電流檢測電路，但是MOSFET仍然產(chǎn)生燒壞的現(xiàn)象，這表明電流檢測電路沒有可靠的工作。電流檢測電阻采用一定長度的康銅絲，考慮限流值的范圍，設(shè)計(jì)時電流檢測電阻必須以最大的限流值作為參考。另外電阻的精度也會影響電流檢測的精確度。電流取樣信號必須直接引自取樣電阻的兩端，以免影響電流檢測的精度。另外檢測電阻兩個管腳的焊錫也會影響取樣電阻的電阻值，從而也會影響取樣電流的精度。

　　電流的取樣精度是系統(tǒng)進(jìn)行可靠的電流保護(hù)的前提。在排除以上問題的前提下，還有一個十分重要的參數(shù)影響電流的取樣精度。在圖1中，使用了一個RC的濾波器濾除干擾噪聲，但這個RC的濾波器會對電流的取樣信號帶來延時，RC的值越大，延時也就越大，信號幅值的誤差也越大。LM358對輸入信號有一定的帶寬限制，放大倍數(shù)越大，信號的帶寬越窄。另外，CPU在接收到過流信號時，從響應(yīng)中斷到處理完中斷，到最后關(guān)斷輸出脈沖也需要一定的時間，那么這樣參數(shù)的細(xì)節(jié)不經(jīng)過仔細(xì)的考慮，在上下橋臂直通后短路，電流隨時間迅速增大，電流檢測電阻的電壓信號也隨時間迅速增加，當(dāng)CPU檢測到過流信號后輸出保護(hù)關(guān)斷脈沖前，各種延時使上下橋臂直通產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)定的過流保護(hù)點(diǎn)，從而燒壞MOSFET管。尤其是在溫度升高時，LM358的帶寬進(jìn)一步的降低，影響過流保護(hù)的響應(yīng)時間。

　　由此可證：減小RC值，提高CPU的工作頻率，使用高GBP的運(yùn)算放大器或使用工業(yè)級的運(yùn)放LM258，可以提高過流響應(yīng)的時間和精確度。

2.3 PCB設(shè)計(jì)

　　PCB的布局通常是每個橋臂的上下MOSFET并排在一起放置，三個橋臂六個MOSFEF排成一列，電流的取樣電阻放置在最邊沿的一個橋臂下，那么就有一個橋臂離電流檢測電阻最遠(yuǎn)。從實(shí)際的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：最容易損壞的橋臂就是這個離電流檢測電阻最遠(yuǎn)的橋臂。由于其回路的走線長，寄生電感值大，在較高的電流變化的條件下，會產(chǎn)生很大的電壓尖峰，從而燒壞MOSFET管。因此在PCB的設(shè)計(jì)時，可以將電流檢測電阻放大中間的橋臂下方，從而使三個橋臂的電感減小做到優(yōu)化和平衡。另外，也可以對最遠(yuǎn)的橋臂的DS間加RC形成的箝位吸收電路，抑制電壓尖峰。

　　在PCB設(shè)計(jì)時要做到功率地和信號地的分離，所有的芯片加去耦電容，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

2.4 整機(jī)的防護(hù)

　　從用戶返修的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在潮濕的陰雨天，控制器更容易損壞。在整機(jī)中，絕大多數(shù)的控制器安放在電動自行車的底部，只有極少數(shù)整機(jī)廠將控制器安放在電動自行車的上部座板下面；而且絕大多數(shù)的控制器安放盒沒有防水措施。無防水措施且安放在電動自行車的底部的控制器，在潮濕的陰雨天使用或停放在戶外，濕氣或雨水極其容易進(jìn)入到控制器的PCB上，導(dǎo)致電路板局部的短路，加電后，燒壞控制器的功率MOSFET。因此，在整機(jī)的設(shè)計(jì)上，應(yīng)該加強(qiáng)對控制器的防水處理，以提高控制器的可靠性。

3、電動自行車控制器發(fā)展趨勢
3.1 控制器的電源電池

　　目前，絕大多數(shù)的電動自行車使用三節(jié)或四節(jié)的鉛酸電池，電源的總線電壓為36V或48V。相對而言，盡管鉛酸電池的能量密度低，體積大，不環(huán)保，但是由于其價格便宜，易于充電和維修，因此，仍然得到大多數(shù)電動自行車整車廠的采用。常規(guī)的鋰離子電池盡管能量密度高，體積小，但是由于其安全性和充電管理復(fù)雜，總體成本高等問題，應(yīng)用比例很小。從未來(Futura)的發(fā)展來看，Ni-MH鎳氫電池和改進(jìn)的鋰鐵電池將在性價比上具有極強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

　　Ni-MH鎳氫電池比常規(guī)的鋰離子電池安全，比鉛酸電池和鎳鎘電池具有更高的能量密度和功率密度，可以快速的充放電，充放電的次數(shù)多，而且具有無記憶效應(yīng)、無污染、不需要維護(hù)等特點(diǎn)，在一些高端的市場(Rialto)，已經(jīng)獲得應(yīng)用，而且在未來(Futura)幾年，換用鎳氫電池的比率和趨勢將越來越明顯。

　　此外，近幾年出現(xiàn)的新型的鋰鐵電池與常規(guī)的鋰離子電池相比，其單節(jié)的電壓3.7-3.8V，盡管能量密度和功率密度要稍低一些，但安全性得到了極大的提高。鋰鐵電池的充電管理復(fù)雜程度和鎳氫電池差不多，但其能量密度和功率密度比鎳氫電池高，不會自放電，將會更為高端的市場(Rialto)上獲得一定的應(yīng)用。

3.2 功率MOSFET管和驅(qū)動

　　未來(Futura)的電動自行車控制器將更著眼于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和緊湊性。為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須提高功率MOSFET管和驅(qū)動電路的可靠性。三個橋臂六個功率MOSFET管和六組由分離元件構(gòu)成的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行優(yōu)化，即使用集成的模塊，在芯片級的質(zhì)量控制水平的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的可靠性。同時，使用集成的模塊，也進(jìn)一步的提高了系統(tǒng)的緊湊性。

集成的模塊有三種方式：
　　（1）集成上下橋臂兩個功率MOSFET管，下橋臂的功率MOSFET管具有更低的導(dǎo)通電阻。這樣，一個控制器使用三個模塊，上下橋臂功率MOSFET管連線電感小，PCB的布局更加緊湊，布線更加簡短，從而簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　（2）集成上下橋臂兩個功率MOSFET管及相應(yīng)的驅(qū)動電路。由于模塊內(nèi)MOSFET的參數(shù)一致，因此可以針對MOSFET的具體參數(shù)，使用優(yōu)化的驅(qū)動電路，這樣，進(jìn)一步的簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其內(nèi)部將帶有過溫OT和過流OC的保護(hù)，進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的可靠性。
　　（3）集成三個橋臂的六個功率MOSFET管及相應(yīng)的驅(qū)動電路，這是全集成的最簡潔的模塊方案，模塊內(nèi)部必須帶有可靠的過溫OT、過流OC、過壓OV等各種保護(hù)功能，才不會發(fā)生一個功率MOSFET管或一組橋臂損壞整個模塊報(bào)廢的問題。這樣才能在成本、可靠性及設(shè)計(jì)復(fù)雜程度之間成為一個折衷的方案。

3.3 控制器功能的拓展

　　未來(Futura)的電動自行車控制器將在功能上進(jìn)一步的拓展，如帶有儀表控制和車燈控制的功能，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本，提高的緊湊性。

作者介紹：劉松，男，碩士，1972生，籍貫:湖北省武漢市，萬代半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心經(jīng)理，曾任凌特有限公司上海辦事處應(yīng)用工程師，ST意法半導(dǎo)體上海有限公司高級電源系統(tǒng)工程師，現(xiàn)主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)及模擬電路的應(yīng)用研究和開發(fā)工作。發(fā)表論文30余篇，獲發(fā)明專利一項(xiàng)及廣東省科技進(jìn)步二等獎一項(xiàng)。
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