電動自行車控制器系統構架及其發展趨勢

摘要：本文介紹了通用電動自行車控制器系統構架和基本的工作原理。同時本文從功率MOSFET管驅動、電流檢測、PCB設計和整機的防護四個方面詳細的探討了進一步提高電動自行車控制器的可靠性的設計方法及其注意的細節。最后，給出了控制器的電源電池，集成的功率元件模塊的發展趨勢。

關鍵詞：電動自行車  控制器  驅動  電流檢測

　　電動自行車具有環保節能，價格合適，無噪聲，便利等特點，因此獲得越來越廣泛的應用。常用的電動自行車通過控制器驅動無刷直流電機，因此整個控制器的設計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計過程中被電子工程師所忽略的技術問題，如控制器的功率元件驅動、電流檢測延時響應等，從而為電動自行車控制器的設計工程師提供一些參考，在最大的程度上提高系統的可靠性，降低故障率。

1、電動自行車控制器系統構架
1.1 系統結構

　　無刷直流電機具有高轉矩、長壽命和低噪聲的特點，因此在電動自行車中獲得廣泛的應用。無刷直流電機控制要比有刷直流電機控制復雜，無刷直流電機控制器的主功率電路結構如圖1所示。

在圖1中，Q1和Q2構成無刷直流電機A相繞組的橋臂，Q3和Q4構成無刷直流電機B相繞組的橋臂，Q5和Q6構成無刷直流電機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導通，電流從電池正極流經Q1、A相繞組、B相繞組、Q4和電流檢測電阻，然后回到電池負極。
　　模式2：Q1關斷，Q4仍然導通，由于電流繞組為感性負載，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體內寄生的二極管導通續流。
　　模式3：控制器換相Q5導通，A相繞組承受負電壓去磁，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管關斷時，下橋臂的功率MOSFET管不導通，完全依靠其體內寄生的二極管導通續流，這種控制方法為非同步整流控制；如果上橋臂的功率MOSFET管關斷時，下橋臂的功率MOSFET管經過一定的延時即后導通，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管導通續流，因此提高了系統的效率。

　　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。同步整流控制具有高的效率，應用更為廣泛。

1.2 功率MOSFET管的驅動電路

　　目前無刷直流電機控制器的功率MOSFET管的驅動電路有兩種方案：集成的驅動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動電路。使用集成的驅動IC時，驅動電路設計相對的簡單，系統可靠性高，結構緊湊，但成本高。使用分離的元件的驅動電路，系統設計和調試復雜要復雜一些，由于分離的元件參數的分散性，驅動電路很難做到優化的設計。

　　當系統使用不同的功率MOSFET管時，驅動電路的相關參數必須進行適當的調整，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計中存在的問題
2.1 功率MOSFET管驅動

　　在圖1中，功率MOSFET管為AOS的AOT430，從其數據表可以看出，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，因此針對其應用，驅動電路的設計要考慮到這些參數的影響。通常在電動自行車的應用中，通過調整門極串聯電阻和門極和源極的并聯電容的值來調整MOSFET的開通速度(Tempo)。門極串聯電阻和門極和源極的并聯電容值越大，開關的速度(Tempo)越慢。只有選取合適的驅動電路的參數以及一個橋臂上下管導通的間隔，在同步整流控制方式上，就可以很好的控制開關管在關斷時DS上的電壓尖峰，同時保證MOSFET的開關損耗在其所承受的額定值之內。加大門極串聯電阻以及加大門極和源極的并聯電容的值可以降低MOSFET開通的速度(Tempo)，但也增加了其在電阻區的時間，從而增加了開通損耗。

2.2 電流檢測

　　通常控制器發生故障是主功率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進行初始化需要一定的時間，CPU輸出的驅動信號的穩定也需要一定的時間，那么在起動中就可能產生驅動的信號邏輯關系不穩定或混亂的現象，從而導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，穩定后才加功率電源。

堵轉是電動自行車最惡劣的工作狀態，此時也會發生一個橋臂上下管的直通。在實際應用的過程中，盡管采用了由LM385組成的電流檢測電路，但是MOSFET仍然產生燒壞的現象，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，設計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進行可靠的電流保護的前提。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，放大倍數越大，信號的帶寬越窄。另外，CPU在接收到過流信號時，從響應中斷到處理完中斷，到最后關斷輸出脈沖也需要一定的時間，那么這樣參數的細節不經過仔細的考慮，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CPU檢測到過流信號后輸出保護關斷脈沖前，各種延時使上下橋臂直通產生的電流遠遠大于實際設定的過流保護點，從而燒壞MOSFET管。尤其是在溫度升高時，LM358的帶寬進一步的降低，影響過流保護的響應時間。

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

2.3 PCB設計

　　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。從實際的應用發現：最容易損壞的橋臂就是這個離電流檢測電阻最遠的橋臂。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，會產生很大的電壓尖峰，從而燒壞MOSFET管。因此在PCB的設計時，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化和平衡。另外，也可以對最遠的橋臂的DS間加RC形成的箝位吸收電路，抑制電壓尖峰。

　　在PCB設計時要做到功率地和信號地的分離，所有的芯片加去耦電容，提高系統的抗干擾性。

2.4 整機的防護

　　從用戶返修的調查發現，在潮濕的陰雨天，控制器更容易損壞。在整機中，絕大多數的控制器安放在電動自行車的底部，只有極少數整機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入到控制器的PCB上，導致電路板局部的短路，加電后，燒壞控制器的功率MOSFET。因此，在整機的設計上，應該加強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展趨勢
3.1 控制器的電源電池

　　目前，絕大多數的電動自行車使用三節或四節的鉛酸電池，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，仍然得到大多數電動自行車整車廠的采用。常規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雜，總體成本高等問題，應用比例很小。從未來(Futura)的發展來看，Ni-MH鎳氫電池和改進的鋰鐵電池將在性價比上具有極強的競爭優勢。

　　Ni-MH鎳氫電池比常規的鋰離子電池安全，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，充放電的次數多，而且具有無記憶效應、無污染、不需要維護等特點，在一些高端的市場(Rialto)，已經獲得應用，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，近幾年出現的新型的鋰鐵電池與常規的鋰離子電池相比，其單節的電壓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)上獲得一定的應用。

3.2 功率MOSFET管和驅動

　　未來(Futura)的電動自行車控制器將更著眼于進一步提高系統的可靠性和緊湊性。為了提高系統的可靠性，必須提高功率MOSFET管和驅動電路的可靠性。三個橋臂六個功率MOSFET管和六組由分離元件構成的驅動電路的結構必須進行優化，即使用集成的模塊，在芯片級的質量控制水平的基礎上，提高系統的可靠性。同時，使用集成的模塊，也進一步的提高了系統的緊湊性。

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，從而簡化了系統的設計。
　　（2）集成上下橋臂兩個功率MOSFET管及相應的驅動電路。由于模塊內MOSFET的參數一致，因此可以針對MOSFET的具體參數，使用優化的驅動電路，這樣，進一步的簡化了系統的設計。其內部將帶有過溫OT和過流OC的保護，進一步的提高系統的可靠性。
　　（3）集成三個橋臂的六個功率MOSFET管及相應的驅動電路，這是全集成的最簡潔的模塊方案，模塊內部必須帶有可靠的過溫OT、過流OC、過壓OV等各種保護功能，才不會發生一個功率MOSFET管或一組橋臂損壞整個模塊報廢的問題。這樣才能在成本、可靠性及設計復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一步的拓展，如帶有儀表控制和車燈控制的功能，從而進一步降低系統的成本，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，萬代半導體元件有限公司應用中心經理，曾任凌特有限公司上海辦事處應用工程師，ST意法半導體上海有限公司高級電源系統工程師，現主要從事開關電源系統及模擬電路的應用研究和開發工作。發表論文30余篇，獲發明專利一項及廣東省科技進步二等獎一項。
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