汽车智能电机SOC芯片4 - Melexis

Melexis（迈来芯）对于很多从事工业和消费类电机控制的朋友来说会有点陌生，但在汽车小电机领域还是有着非常重要的江湖地位的。迈来芯人都会说自己是一家“小而美”的公司，但经过这些年的发展，已经不算小了，在汽车传感器、执行器和氛围灯等领域处于领先位置。下面是一个简单的介绍。

1. Melexis公司简介

Melexis是全球汽车半导体传感器行业的领先企业（属于全球五大汽车传感器供应商之一），目前全球生产的每辆新车平均搭载18颗迈来芯的芯片，其营收90%来自汽车业务。  Melexis 总部位于比利时，在全球18座驻地拥有2000余名员工。公司在汽车芯片领域有着举足轻重的地位，2022年，其全球出货超过19亿颗芯片。从发布不久的半年报来看，2024年上半年销售额超过487M欧元（约38亿人民币），毛利215M欧元（16.8亿），而2023年上半年销售额465M欧元（约36亿人民币），毛利214M欧元（16.7亿）。销售额和毛利都是增长的，但毛利率由46%下降到了44%，总体来看在这样的大环境下，表现还是非常稳定且健康的。

图1是Melexis的历史发展时间线，公司是在坚实的汽车业务基础上，增加了医疗和机器人领域。

图1 Melexis的发展时间线

Melexis充分利用在汽车电子元件的核心经验，积极服务其他市场，包括移动出行、智能设备、智慧楼宇、机器人、能源管理和数字医疗等。其主要业务方向和产品如图2所示。可以看到其传感器占比非常的高，当然这篇文章的重点是介绍MOS外置的Embeded Motor Drivers。 

图2 Melexis的主要产品方向

2. 电机芯片布局

Melexis对于汽车智能电机SOC芯片的研发大约在2008年就已经开始了，到目前为止，一共经历了3代产品。

第一代产品MLX81200，采用0.18u工艺，处理器的性能只有5MIPS，第一次提出了BLDC无感专利算法“TruSense”。

第二代产品主要是MLX81205/07，MLX81206/08以及MLX81325，处理器性能提高到20 MIPS。

第三代产品MLX81340/44以及可以支持48V系统的MLX81346，处理器的性能还是20 MIPS，工艺节点也还是0.18u SOI。

根据栅极驱动能力以及时间线汇总如图3所示。Gen2和Gen3应该是可以支持无传感器FOC控制。

图3 Melexis的电机SOC芯片分类(不包括集成MOS芯片)

Melexis的汽车电机SOC芯片Flash一般不超过64K，RAM不超过6K，处理器性能也只有仅仅20MIPS（参照系STM32F103, 72M*1.25=90DMIPS ）。粗看一下数据的话感觉是很一般，似乎觉得没啥竞争力；但神奇的是在很多的汽车电机应用里，无论是风扇还是水泵，总会有Melexis的一席之地。个人觉得主要有下面的一些原因：

1）Melexis身处欧洲，吃透了应用且贴近需求，因此设计出来的产品会刚刚好。客户无需为芯片额外的功能买单；

2）和Fab厂的联姻可以确保其产能和较低成本；

3）极简的外围电路，极佳的EMC性能使得整个BOM成本较低；

4）MLX16+MLX4的双核结构非常好的处理了电机控制和LIN通信需求的完美结合，保证了LIN通信处理的响应速度；

5）Turnkey的能力，因为其芯片特殊的结构和紧张的算力，所以必须搭配精心设计的参考代码才能满足市场的需求。

当然除了MOS外置的汽车智能电机SOC芯片外，Melexis还涉及了All-In-One产品，其市占率可能还要高于MOS外置的产品。另外在涉及电机应用的磁位置传感器和霍尔开关产品领域，电流传感器以及智能驱动芯片上，Melexis也处于领导地位。总体来说就是，汽车里涉及机电一体应用中的各种传感器和控制器，Melexis都是一个非常重要的玩家。

接下来关注重点，详细的介绍一下电机SOC产品。

3. 电机SOC产品介绍

对于上面描述的三代产品汇总如图4所示(可以单击图片放大查看)。由于Melexis的资料非常有限，笔者尽可能的做到准确。

图4 Melexis智能电机SOC三代产品对比

从三代产品中选取相应型号，贴出其典型的系统应用图，一窥其变迁和演进。

MLX81200（GEN1）的典型外围系统应用图如图5所示。

图5 GEN1的产品应用框图

可以看到采用的是高边电流采样，且高边MOSFET采用Bootstrap自举电路（上管无法100%持续）。芯片三相UVW PIN需要外围的二极管保护，另外需要连接BLDC的虚拟中点。

MLX81208（GEN2）的典型外围系统应用如图6所示。

图6 GEN2的产品应用框图

可以看到和GEN1差别不大，就是芯片的UVW PIN的外围二极管不需要了（提升了耐负压的能力），但整体架构一样。

MLX81346（GEN3）的48V系统典型外围系统应用图如图7所示。

图7 GEN3的48V应用框图

GEN3和前2代的差别还是非常明显的，首先电流采样都转到了低边。其次是去掉了Bootstrap电路而改用了可以100%上管开通的ChargePump电路。当然对于48V应用来讲，MLX81346需要一个外部的DCDC电源芯片来实现48V到12V的变换。另外，也取消了外部BLDC中性点的需求（可能放在芯片内部了）。

这样变化的背后应该就是技术迭代和成本优化的结果。可以得到下面的几点：

1）高边电流检测转到低边电流检测，最大的动力应该是成本。特别对于更高电压的应用而言；

2）技术的进步可以不断的减少外围器件，集成度提高；

3）高边MOSFET的驱动目前主流都转向ChargePump，使用Bootstarp的已经很少。

4. 控制方案介绍

Melexis比较核心的一点是可以提供Turnkey方案，前期一直都宣传TruSense，但最近的研讨会已经不怎么提这个。但怀着工程师的好奇心和耐心，一点点的还是找到了一些TruSense的信息，特分享给同样感兴趣的朋友。注：这些信息没有详细的实现，只有一些基本的思想。当然因为没有看到真正的代码来核实，所以不确保以下说法的准确性，仅供参考。

4.1 三相BLDC的控制方案 - TruSense方案

TruSense看起来是包括正弦波和方波的。

TruSense 无感正弦波方案

这个正弦波无感策略在专利US8461789B2里有详细的描述，有兴趣的朋友可以去查询了解。

TruSense正弦波无感控制的核心思想是调节正弦电压的相位，使其产生的电流和反电动势保持同相位，类似于锁相的思路。

实现的过程主要有：

1）输出SVPWM电压波形。

2）相电流过零时关闭桥臂很小一段时间，检测反电动势。如果反电动势过零点不在检测窗口的话就通过线性插值的方式来求得。通过反电动势过零点获取电机的位置和速度；如图8所示。

图8 正弦波无感的反电动势过零检测

3）在2次相邻的反电动势过零的中间时刻的左右两边各采集5次相电流。然后用左边的电流减掉右边的电流作为一个电流的误差量。

4）将这个电流的误差量输入一个超前角控制模块，得到超前角。其本质是要去调节SVPWM的电压相位，使得电流误差量最小。

5）最后控制出来的效果如图9所示，就是确保电流相位与反电动势的相位相同，从而实现高效的控制。

图9 TruSense正弦波控制的波形图

由以上波形可以看到相电压波形的两边有开窗的操作，其实通过相电流波形也可以看到这个开窗在稳定运行后基本就在电流过零的时刻。这样的好处是开窗对正常运行的电流干扰比较少。但如果仔细看的话，还是能看到过零时候电流波形的不连续性，有一个小平台或者小突变。

因此笔者认为这种控制方式的优缺点如下：

优点：

a. 运算量小，对MCU算力要求低；

b. 无实时电流环控制，电流采样要求低；

c. 正弦波控制，力矩脉动小，噪声低。

缺点：

a. 动态响应能力比FOC弱；

b. 存在开窗，对电流波形有一定的干扰。

4.2 TruSense 无感方波控制策略

其无感方波控制策略如下所述：

阶段1：转子定位。通用方法是通过定子产生的磁场将转子强制拉到预定位置。而TruSense是直接在静止时对转子所在的位置进行准确的估测，也就是目前比较流行的初始位置检测IPD。虽然现在看起来平常无奇，但10多年前就已经使用了IPD，还是很领先的。

阶段2：加速转子。通用方法是RAMP加速，即在启动初期反电动势不可测情况下根据预定义的时间强制换相以加速。TruSense则是在启动加速时通过电流来检测转子位置进行有反馈信息的闭环换相（这部分闭环控制和没有找到相关信息，但可以看到电流波形上有高频信号）。

阶段3：正常运行。通用方法是通过比较器来检测反电动势过零点。而TruSense是通过对反电动势积分采样，根据采样值计算过零点。

图10 TruSense无感方波启动波形图

4.3 三相BLDC的控制方案 - V90快速启动

最近Melexis很少会再提及TruSense，而是也在使用FOC的无感策略，其研讨会提到V90 Quick Startup方式。

Melexis是这么描述的，启动过程中，90度电周期后电机就进入闭环状态，可以非常快的切入闭环。带载能力强，其波形如图11所示。

笔者认为这就是一种运算量比较小的无感控制的策略，类似非线性磁链控制的方案。

图11 V90快速启动运行波形图

4.4 基于MLX81344的PCBA实例

搭载Melexis MLX81344的PCBA实例如图12所示，这是一个120W的油泵方案：

图12 基于MLX81344的120W油泵

可以看到基于智能电机SOC的整体方案外围电路还是比较简洁的，主要芯片包括MLX81344+MOSFET*7；采用低边单电阻方案。控制信号应该是LIN或者PWM，但应该都用的是LIN的管脚。

5. 总结

在这个智能汽车SOC芯片细分领域里，Melexis应该算是最早涉猎的公司之一；经过三代的发展，目前已经非常成熟稳定。

本期介绍的产品适合用在汽车水泵和风机应用中，特别的对于MLX81346，还可以满足部分48V系统的需求。

只是智能汽车SOC芯片竞争非常激烈，相比而言有限的算力及资源，独有的开发生态对于其发展也存在一定限制。

当然，这种刚好够用的资源配置、 良好的成本控制、优秀的EMC性能和稳定可靠的软件系统也会让其在这个竞争激烈的市场里拥有一席之地。

另外也很期待Gen4的推出，会不会走向ARM内核呢？