TP2763 L99H01：一个灵活的汽车直流电机电桥驱动器

直流电机在汽车应用领域十分常见，被广泛用于各种汽车系统，包括车门、后视镜、座椅和电泵。结构简单、成本低廉的特点使其成为汽车系统设计人员的首选解决方案。

直流电机有三个主要组件：产生磁场的定子、承载电机线圈的转子、向线圈传输电流的电刷。

将电源连至电机的两个接线端子后，电流将会流到转子线圈。如果线圈上的电流强度足以让电机和负载产生转矩，电机将会旋转。

电机通常采用PWM技术控制转速和转矩。此外，如果电机旋转方向在实际应用中必须变化，则必须改变电机两个端子上的电源电压。基于这些需求，采用四个开关按照要求将电源电压连到电机的两个接线端子上的H-桥是典型的双向直流电机控制解决方案。


图1：H桥配置。

意法半导体的L99H01是一个汽车电机驱动器芯片，集成四个栅驱动器来控制H桥内的四个外部N沟道MOSFET管。结构简单，驱动灵活，使其适用于各种汽车系统。

通过驱动器内部SPI接口，外部微控制器可读取诊断信息，还可以设置驱动器的多个功能，满足实际应用需求。

驱动器内置一个两级电荷泵，这样设计有多个好处。以较低的输入电压驱动H桥外部MOSFET管，尽可能节省外部组件(只需三个电容)，以100%占空比驱动电机。此外，电荷泵的输出电压还可用于驱动电池极性接反保护电路的附加MOSFET管。


图2：L99H01框图和应用示意图

因为电机在驱动电路内产生感性负载，为尽可能降低耗散功率，在应用PWM控制技术时，必须为电机电流设计正确的闭合回路。L99H01让设计人员尽可能灵活地选择续流回路策略。此外，通过正确选择续流回路，再配合一个外部微控制器，驱动器可以在实际应用中进行功能性安全测试。


图3：L99H01续流方法选择

通过使用L99H01内部的一个或两个电流检测放大器(CSA)，可以测量流经H桥的电流。这些放大器有很多特别的地方。因为放大器输入接受高压，所以可在接地端、电源线或直接串联电机测量电流，让用户满足不同的需求和策略要求。此外，可通过SPI串口设置放大器的增益，为应用开发带来更高的灵活性。此外，还可对放大器执行失调校正，降低放大器本身失调对电流测量结果的负面影响。

内部看门狗定时器监视外部微控制器，提升应用层面的安全性。万一看门狗发现微控制器异常，L99H01则禁用内部MOSFET栅驱动器。

L99H01防范潜在危害性事件入侵驱动器和系统。该产品具有欠压保护以及可设置过压保护(通过SPI)功能。如果在电源端发现这些事件，则栅驱动器将被禁用，并通过SPI接口上报给微控制器。

假如电机的接线柱意外对地短路或对电源短路，L99H01则监视桥上每个被激活晶体管的漏源电压，以保护外部MOSFET管。如果漏源电压高于预设阈值且持续时间大于内部滤波时间，则驱动器关闭受影响的晶体管，并通过SPI串口上报事件。用户可按实际照应用情况(即MOSFET电阻和流经电桥的电流)调整电压检测阈值，通过SPI接口从四个数值中选择一个设为阈值。

当同一半桥内的高低边MOSFET换向时，在一个晶体管的关断与另一个晶体管的导通之间引入死时非常重要，否则，两支晶体管可能同时导通，引起从电源流向接地方向的逆流。 用户可通过SPI接口按照实际需求选择多个阈值。当开关同一桥臂上的晶体管时，L99H01自动启用可设置的死时。

作为一个深入保护机制，L99H01可检测内外部热事件，并做出相应的反应。该产品可检测内部过热初期状况，并通过SPI接口向外部微控制器报警。这样，微控制器可采取一些应对措施，以降低驱动器本身和系统的温度。假如芯片内部温度进一步上升，则芯片进入过热关断模式，禁用栅驱动器和电荷泵。

此外，外部温度传感器(如灯条)可连至 L99H01的专用输入端。当这个引脚上的电压降至阈值以下时，驱动器关闭栅驱动器，以保护电桥。按照当前应用设计的特性，用户可通过SPI选择阈压。值得一提的是，当施加外部数字信号时，这个输入可用于禁用栅驱动器。

L99H01采用两种经济型封装PowerSSO36 (散热盘外露)和LQFP32(全塑封装)。
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作者：Giuseppe Maimone
意法半导体慕尼黑公司汽车产品部高级技术市场工程师

Giuseppe Maimone毕业于意大利米兰理工大学电子工程专业。曾先后在德州仪器的应用工程和市场部和飞思卡尔半导体工作多年，参与过各种产品的研发销售(线性稳压器、开关稳压器、智能功率器件、系统基础芯片)。2011年，他加入意法半导体，担任汽车产品部高级技术市场工程师。