選擇合適的集成度來滿足電機(jī)設(shè)計(jì)要求

如果您正在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，以往您可能會使用如雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 等多個(gè)分立式元件來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。盡管這種方法通常成本更低，但使用的元件總數(shù)更多，占用的布板空間更大，花費(fèi)的設(shè)計(jì)時(shí)間更長，復(fù)雜度也更高。使用多個(gè)元件還可能會影響系統(tǒng)可靠性。

隨著應(yīng)用的復(fù)雜度增加、功率提高、占用空間減小，集成變得至關(guān)重要。集成解決方案可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、簡化采購流程以及節(jié)省成本，同時(shí)還可以確保電機(jī)系統(tǒng)更加可靠和高效。

在本文中，我將對不同的電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較，包括分立式和完全集成式選項(xiàng)，從而幫助您找到適合您設(shè)計(jì)的方法。表 1 比較了各種電機(jī)控制選項(xiàng)的集成度。

表 1：用于驅(qū)動電機(jī)的集成度

采用分立式方法進(jìn)行電機(jī)控制

圖 1 展示了控制單元（如微控制器 (MCU)）處理電機(jī)狀態(tài)的反饋，并發(fā)送信號來調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩、位置和速度。柵極驅(qū)動器將來自 MCU 的信號放大，以驅(qū)動電機(jī)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。

圖 1：基本電機(jī)控制方框圖

您可以使用 BJT 圖騰柱/推挽電路作為柵極驅(qū)動電路來驅(qū)動單個(gè) MOSFET，如圖 2 所示。盡管此方法成本很低且易于實(shí)現(xiàn)，但 BJT 圖騰柱電路所需的外部元件數(shù)量較多且占用的布板空間較大。此外，您必須復(fù)制此分立式電路，因?yàn)槟枰鄠€(gè) MOSFET 來驅(qū)動電機(jī)，致使所需的元件數(shù)量和布板空間成倍增加。

圖 2：采用分立式 BJT 圖騰柱/推挽電路實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動器方框圖

第一個(gè)集成選項(xiàng)：柵極驅(qū)動器 IC

基本柵極驅(qū)動器 IC 將圖騰柱的功能集成到單個(gè)封裝內(nèi)。最近的工藝技術(shù)不斷創(chuàng)新，使得柵極驅(qū)動器 IC 與分立式 BJT 一樣實(shí)惠。

在選擇柵極驅(qū)動器 IC 時(shí)需要考慮幾個(gè)注意事項(xiàng)，例如通道數(shù)以及最適合電機(jī)功率級別的電壓和電流能力，如圖 3 所示。

集成式柵極驅(qū)動器 IC 包括：

●   單通道柵極驅(qū)動器（如德州儀器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)高壓 (>700V) 電源開關(guān)（如絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流電機(jī)。

●   雙通道半橋柵極驅(qū)動器（如 UCC27712），用于驅(qū)動 IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 電機(jī)

●   四通道 H 橋驅(qū)動器和六通道三相電機(jī)柵極驅(qū)動器（如 DRV8329），專為低壓 MOSFET (<60V) 直流電機(jī)設(shè)計(jì)

隨著電機(jī)功率級別的變化，使用柵極驅(qū)動器可以保持以前的設(shè)計(jì)，同時(shí)只改變外部 FET 以適應(yīng)新的電壓和電流電平。

圖 3：驅(qū)動外部 FET 的柵極驅(qū)動器 IC 類型

柵極驅(qū)動器涵蓋具備基本功能（如防止跨導(dǎo)的欠壓鎖定和聯(lián)鎖保護(hù)）的驅(qū)動器，以及具備高級功能（如用于壓擺率控制和自動死區(qū)控制的智能柵極驅(qū)動技術(shù)）的驅(qū)動器。了解有關(guān)這些柵極驅(qū)動器的更多信息，請參閱“了解智能柵極驅(qū)動”應(yīng)用手冊。

傳統(tǒng)上而言，由以下外部元件設(shè)置壓擺率：兩個(gè)源極和漏極電阻器（用于限制 MOSFET 柵極的電流）、一個(gè)二極管（用于單獨(dú)調(diào)節(jié)上升和下降速率），以及一個(gè)下拉電阻器。借助智能柵極驅(qū)動技術(shù)，可以不再使用這些元件，而且可通過串行外設(shè)接口靈活調(diào)節(jié)壓擺率。

六通道驅(qū)動器采用智能柵極驅(qū)動技術(shù)，無需使用多達(dá) 24 個(gè)分立式元件，節(jié)省了布板空間，也減少了物料清單 (BOM) 數(shù)量。柵極驅(qū)動器還集成了其他保護(hù)和診斷功能，包括電流檢測、過流和過熱保護(hù)、故障檢測甚至隔離功能，這進(jìn)一步減少了元件數(shù)量。

第二個(gè)集成選項(xiàng)：電機(jī)驅(qū)動器 IC

電機(jī)驅(qū)動器 IC 包括柵極驅(qū)動器和集成 FET，非常適合低功率電機(jī)系統(tǒng) (<70W)，如圖 4 所示。與柵極驅(qū)動器相比，電機(jī)驅(qū)動器 IC 的占用空間更??；集成了 FET 功率級，從而簡化了設(shè)計(jì)原理圖和布局。與柵極驅(qū)動器 IC 一樣，電機(jī)驅(qū)動器 IC（如 DRV8962）也集成了保護(hù)和診斷功能。

圖 4：具有集成 FET 的 H 橋和三相電機(jī)驅(qū)動器

在選擇電機(jī)驅(qū)動解決方案時(shí)，務(wù)必要考慮內(nèi)部 FET 的 RDS(ON)、峰值電流和均方根電流?？紤]到內(nèi)部 FET 的功率耗散，還需要執(zhí)行熱計(jì)算。

第三個(gè)集成選項(xiàng)：集成控制柵極驅(qū)動器 IC

與前兩個(gè)選項(xiàng)不同，集成控制柵極驅(qū)動器 IC（如 MCT8329A）無需 MCU 即可進(jìn)行電機(jī)控制。這些 IC 仍然具有具備保護(hù)和診斷功能的柵極驅(qū)動器，同時(shí)納入了控制算法而無需 MCU 輔助，如圖 5 所示。

電機(jī)換向算法的實(shí)現(xiàn)可能很復(fù)雜，無論是梯形控制、正弦控制還是磁場定向控制。集成控制柵極驅(qū)動器 IC 提供了一種無代碼解決方案，可在內(nèi)部處理換向算法，從而幫助您縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，簡化編碼、調(diào)試和測試的復(fù)雜性。

圖 5：集成控制三相柵極驅(qū)動器

借助集成控制柵極驅(qū)動器 IC，通過傳感器控制或無傳感器控制可靈活實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向。采用傳感器控制方法，可以使用外部霍爾效應(yīng)傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置；這些 IC 可以采用霍爾效應(yīng)傳感器輸入，并利用電機(jī)控制算法來安靜高效地驅(qū)動電機(jī)。相比之下，采用無傳感器控制實(shí)現(xiàn)方法，無需使用外部霍爾效應(yīng)傳感器，從而減少了布板空間和 BOM。如果選擇無傳感器集成控制柵極驅(qū)動器 IC，則需要通過集成電流檢測測量反電動勢（反 EMF）電壓，并在內(nèi)部計(jì)算電機(jī)位置。

第四個(gè)集成選項(xiàng)：集成控制、柵極驅(qū)動器和 FET IC

最后一個(gè)集成選項(xiàng)通常稱為“完全集成”，如圖 6 所示。集成控制、柵極驅(qū)動器和 FET IC（如 MCF8315A）將無代碼控制功能、具有保護(hù)和診斷功能的驅(qū)動器以及 FET 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，因此占用的布板空間更小、BOM 更少。與電機(jī)驅(qū)動器 IC 選項(xiàng)類似，集成控制、柵極驅(qū)動器和 FET IC 解決方案受到內(nèi)部 FET 的功能限制，因此需要進(jìn)行電流和熱計(jì)算。

圖 6：完全集成 - 電機(jī)控制、驅(qū)動器和 FET

結(jié)語

這些不同級別的 IC 不僅可滿足電機(jī)的功率級別要求，還可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、節(jié)省成本和降低復(fù)雜性。集成器件還可以解決家用電器中的可聞噪聲以及工廠自動化和機(jī)器人技術(shù)中的高精度控制等難題