（文 / 安森美半導體 供稿）

近年來，汽車中的電子成分不斷提升，説明提升燃油經濟性，減少排放，增強安全、照明、車載網路及資訊娛樂系統等。其中，汽車前照燈是安全駕駛的一個重要環節，安森美半導體創新及領先行業的汽車自我調整前照燈系統(Adaptive Front-lighting System, AFS)電機驅動方案克服傳統前照燈的局限，幫助提升行車安全性。本文分析AFS的特性，介紹安森美半導體的AFS方案，以及應用設計要點，説明客戶應用汽車AFS方案。

自我調整前照燈系統(AFS)的應用優勢及工作原理

傳統汽車前照燈的燈光跟車身方向始終一致，在汽車轉彎時無法有效照明彎道內側的盲區，如果彎道內側恰好存在人或物體，而車速又未恰當降低，則會帶來安全隱患，如圖1所示。相比較而言，AFS功能可以提供旋轉(swiveling)調節效果，能夠根據方向盤的角度轉動，把有效的光束投射到駕駛者需要看清的前方路面上，幫助降低安全隱患。

圖1：AFS功能的旋轉調節(左圖)及水準調節(右圖)照明效果。

  
除了能夠進行動態旋轉調節，AFS功能還能提供動態水準高度調節。此功能根據負載軸感測器的信號來調節前照燈的水準高度，可以適應不同的負載及不同的斜坡環境。如圖1右側中，上圖是AFS功能在正常水準條件下的燈光投身效果，中圖是在汽車啟動或上坡時路面顛簸條件下燈光上揚效果，下圖是在刹車或下坡條件下的燈光水準下沉照明效果。可見AFS可根據車身水準傾斜情況動態調節燈光高度，改善照明效果，增強安全性。AFS工作原理結構圖分別如圖2和圖3所示。
 

圖2：AFS的工作原理結構圖。

圖3：AFS的工作原理結構圖(續)。

步進電機驅動器的安放位置選擇

汽車AFS的旋轉及水準高度調節，是各使用一個步進電機來實現的，電機根據車輛四周的眾多感測器回饋的資料作出反應，故設計人員需要採用適合的步進電機驅動方案，且安放在適合的位置。

控制AFS功能的步進電機驅動器的安放位置有兩種選擇。一種方法稱為直接驅動，典型產品如NCV70522。這種方案中，步進電機驅動晶片安裝在跟主微控制器(MCU)同一印製電路板(PCB)上。此電路板離前照燈部件及相關步進電機較遠，而每個電機需要與對應的信號連接。

另一種方法是機電一體化，典型產品如AMIS-30623。在這種方法中，步進電機驅動IC能夠直接安裝在步進電機結構內，僅需共用地線與LIN匯流排信號連接。這種方法極為有益，因為MCU與機電一體化模組的介面連接只需要低電磁相容性的匯流排。機電一體化方法採用模組化設計，前照燈元件的維修保養方便，好處明顯。這兩種方法的結構示意圖如圖4所示。

 

圖4：兩種不同的步進電機驅動器安放方法。

安森美半導體主要AFS步進電機驅動器產品及關鍵特性
安森美半導體提供多種多樣的步進電機驅動器產品，如AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70627、NCV70521及 NCV70522等。這些產品中， AMIS-30621、AMIS-30623及NCV70627採用LIN通信，而NCV70521及 NCV70522採用SPI通信。其中，AMIS-30623是一款單晶片微步進電機驅動器。它是通過LIN建立與主機遠端連接的專用機電一體化方案。該晶片通過匯流排接收定位指令，隨後驅動電機線圈到所需位置，可配置電流、速度、加速度和減速度等參數。該晶片自帶電機堵轉偵測。

 

圖5：AMIS-30623的工作原理示意圖。

NCV70522則是一款帶穩壓器及看門狗功能的SPI通信步進電機驅動IC。這單晶片微步進電機驅動器具有輸出電流選擇性、SPI介面、嵌入式5V穩壓器和看門狗復位等特性。該晶片接收通過一個輸入引腳脈衝信號啟動“下一步微步”命令，輸出線圈電流、微步數等參數。集成的SPI匯流排允許參數設定及診斷回饋。NCV70522的典型應用電路圖如圖6所示。

 

圖6：NCV70522典型應用電路圖。

NCV70522應用設計要點

我們以NCV70522為例，介紹這晶片在AFS應用中的設計要點。NCV70522的控制要素包括步幅模式、NXT輸入及電機運轉方向(DIR)控制等。

1) SLA信號特性
NCV70522包含速度及負載角(SLA)輸出，配合創建停轉檢測演算法及控制環路，以根據電機的反電動勢(BEMF)來調節轉矩和速度。

2) SPI寄存器
NCV70522採用標準4線SPI通信(CLK, CSB, DI, DO)，包含3個8位控制(Control)寄存器(0, 1, 2)和4個8位元狀態(Status)寄存器(0, 1, 2, 3)。

3)復位
CLR引腳為低電平(0)時，器件在正常模式；CLR引腳為高電平(1)時，器件復位。復位號器件內部寄存器值被清除為初始化值。

4) 設置線圈輸出電流
NCV70522提供多種輸出電流模式，可以通過SPI來對寄存器CUR[4:0]設定來選擇。更改後的電流會在下一個脈寬調製(PWM)週期更新。

5) 步幅設定
NCV70522提供從整步到32微步共7種中模式供選擇，可以通過SPI對寄存器SM[2:0]來設定。

6) NXT控制
NXT信號用於控制電機的步幅(step)位置，根據電流錶對應的Ix和Iy資訊，進入下一步(step)。即使電機運轉沒有啟用時，step位置一樣被改變，只是Ix，Iy不輸出。

7) 堵轉檢測
AFS應用中步進電機有時可能會堵轉。一旦電機堵轉，電子控制單元(ECU)將失去前照燈位置的跟蹤資訊並作出不恰當的反應，滋生極嚴重的安全問題，所以AFS應用中堵轉檢測是必不可少。

NCV70522微步步進電機驅動器透過SLA引腳提供BEMF輸出，這表示它能即時進行停轉檢測計算，並根據不同條件來調節檢測等級。具體而言，此BEMF電壓在每個所謂的“線圈電流過零”期間採樣。每個線圈在每個電氣週期記憶體在2個零電流位置，因而每個電氣週期共有4個過零觀察點，故可以測量4次BEMF。如果4個“線圈電流過流點”中有2個SLA電平低於1.5 V，那麼就處於堵轉狀態。我們需要連續2個以上的電氣週期都認定為堵轉才為真正堵轉。

圖7：NCV70522的堵轉檢測功能。

自我調整前照明系統(AFS)在智慧汽車電子產品中應用越來越廣泛，通過驅動步進電機來即時控制燈光角度調整，能有效地增加駕駛的安全性。安森美半導體針對AFS系統的步進電機開發了一系列驅動晶片，為客戶的設計增強汽車的安全性。本文介紹了AFS特性、驅動IC以及方案設計要點，特別是步進電機驅動難點—堵轉檢測的剖析，説明客戶快速、準確地開發有效的AFS方案。