【应用】智芯推出基于车规微控制器Z20K148M和无刷电机预驱芯片Z20A8300的热管理域控整体解决方案
当前新能源汽车行业发展全球开花，与传统燃油车相比其对热管理系统有着更高的要求，在整个系统中对于电池、电机、车内采暖的热量循环主要是由三个水泵（无刷直流电机）完成，为了达到更高的热循环效率，需要控制器同时对三个水泵进行控制。日前，智芯推出基于Z20K148M车规微控制器和无刷电机预驱芯片Z20A8300的热管理域控整体解决方案，为客户提供硬件设计、基础软件以及电机控制算法，加速客户的开发速度。
主要芯片
针对控制水泵的需求，智芯推出的热管理域控整体解决方案中包括一片Z20K148M车规级MCU和三片BLDC预驱芯片Z20A8300。
Z20K148M为智芯自主研发的基于Cortex-M4F内核的微控制器，该产品通过AEC-Q100测试，并已经取得ISO26262 ASIL-B产品认证，主频高达160MHz，带有FPU/DSP，能够高效率处理复杂的浮点运算，内置2MB P-FLASH与128KB Data FLASH， SRAM高达256KB, 支持2x8ch的MCPWM电机控制和最高达2x20ch的ADC采样，支持TDG外设灵活触发ADC采样点，同时还具有AES128及TRNG硬件模块，支持信息安全。
Z20A8300是智芯自主研发的汽车级电机驱动芯片，该产品通过AEC-Q100测试，专门针对汽车中、大功率电机应用开发的三相预驱，主要面向12V/24V的各种汽车电机应用，如汽车水泵，油泵，风扇，转向及刹车系统等。可在5.5V至50V的电源电压范围内驱动6个外部N-MOSFET，同时内部集成三个可编程运放。芯片内部集成两个电荷泵，可支持100% PWM占空比输出以及高边N-MOS防反接保护。另外，该器件集成了各种监测及故障诊断机制，可提供芯片级、PCB级以及系统级的安全诊断机制，同时提供SPI接口以配置芯片参数及反馈详细的故障诊断信息，使该芯片可以很好地支持ASIL-B的系统设计。
方案特点
热管理域控评估板硬件如图1所示。
Z20K148M+3* Z20A8300方案是通过FOC实现对三台永磁同步电机（PMSM）的控制。通过两电阻采样算法进行电流采样和重构，对无感位置观测器估算，得出转子速度和角度，分别对速度环和电流环进行调节和控制。
从硬件上，可以省去多个MCU外围电路的元件数量，以及通信电路，降低功耗，提高产品可靠度，节省PCB面积。从软件上，可以节省两套软件设计以及多个通信节点的失效风险，节省测试和维护成本，提高了软件可靠性。该方案可以有效节省设计成本，测试成本和材料成本，节省空间和安装维护方便，提高产品可靠性。
如图2所示，本方案采用双电阻采样，通过ADC0、ADC1以及Z20A8300的OPA实现对母线电压和相电流的采样，每个Z20A8300预驱芯片驱动3个半桥，Z20K148M通过两个专用的电机MCPWM模块和一个TIM模块输出互补PWM到预驱芯片。方案通过MCPWM initial trig + TMU + TDG trig + AD loop + DMA + INT的方式进行电流采样，可精准把控ADC采样时刻点，并节省等待时间。
为了确保最大算力，主频选择配置成160M，电流环相关代码放在SRAM中运行。按照18K的载波频率，运算平均负荷约在50%左右。
另外，该方案还有以下功能和特点：
三电机独立控制，相互之前无干扰运行
多种无感观测器算法选择(滑模观测器，磁链观测器，龙伯格观测器)
载波频率18KHz（最高可支持20KHz）
过流过压欠压保护
堵转保护（低速堵转）
PWM 占空比动态跟随母线电压波动调整输出
紧急刹车
基于单精度浮点运算
电机控制算法框图
如算法框图所示，引入观测器EST(滑模观测器，磁链观测器，龙伯格观测器)得到角度和转速，三相电流Ia、Ib、Ic经过Clark变换得到Iα、Iβ；经过Park变换得到Iq、Id；将Iq和Id分别与他们的设定值Iq_ref,、Id_ref计算误差值；然后分别将q轴电流误差值代入q轴电流PID环计算得到Vq，将d轴电流误差值代入d轴电流PID环计算得到Vd；然后对Vq、Vd进行反Park变换得到Vα、Vβ；然后解算出占空比，进行反Clark计算，经过SVPWM控制三相逆变器电路得到Va、Vb、Vc，最后输入到电机三相上。
市场应用情况
目前已经多个客户采用该解决方案进行产品开发，用于多款车型。预计将于2024年Q2陆续量产上车。
（图片来源于网络）
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产品型号
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品类
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内核
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主频(MHz)
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P-Flash(KB)
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D-Flash(KB)
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RAM(KB)
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CAN-FD
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UART
LIN
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SPI
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IIC
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IIS
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SENT
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定时器
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电机控制PWM
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ADC
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比较器
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GPIO
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工作环境温度(℃)
|
封装
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信息安全
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功能安全
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Z20K148MCMQLT
|
MCU
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M4F
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160MHz
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2048KB
|
128KB
|
256KB
|
8
|
6
|
4
|
2
|
2
|
0
|
16b,4x8-ch
|
2x8ch
|
12b,2x20ch
|
1x13
|
125
|
-40℃~125℃
|
LQFP144
|
AES128,TRNG
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ASIL-B
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可定制车规级电感的电流范围0.3~17.9A，尺寸最小1x0.55x0.5mm到最大12.5x12.5x6mm，工作频率100KHz~2MHz，感值范围：0.47uH~4.7mH。符合IATF16949和AECQ-200。SPQ为5K。
提交需求>
可定制LAMP LED、 CHIP LED、 PLCC LED、 汽车用车规级LED、COB LED的尺寸/电压/电流等参数，电压1.5-37V，电流5-150mA，波长470-940nm。
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