功率驅(qū)動(dòng)器件與MCU/DSC的接口電路設(shè)計(jì)技巧

由于MCU和DSC的成本大幅下降，目前多數(shù)馬達(dá)控制設(shè)計(jì)中都使用MCU和數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)來(lái)執(zhí)行馬達(dá)控制算法。本文介紹了一些方法和技巧，可將MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口(I/O)與功率電子驅(qū)動(dòng)電路接口，并講述了如何正確地進(jìn)行相關(guān)硬件及軟件開發(fā)的方法。

在進(jìn)行MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口(I/O)與功率電子驅(qū)動(dòng)電路的接口設(shè)計(jì)時(shí)，除了性能和價(jià)格需要權(quán)衡考慮外，還有許多方面要折衷處理。我們可根據(jù)以下問(wèn)題來(lái)選擇接口元件：1. 本電路需要驅(qū)動(dòng)何種馬達(dá)？2. 該馬達(dá)采用何種算法進(jìn)行控制？3. 控制器外設(shè)可簡(jiǎn)化哪些接口要求？4. 電氣安全要求是什么？5. 此設(shè)計(jì)是否用于產(chǎn)品開發(fā)？

柵極驅(qū)動(dòng)接口電路
HSPACE=12 ALT="圖1：自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。">

半橋輸出電路結(jié)構(gòu)可用于控制多種馬達(dá)，包括有刷直流馬達(dá)、無(wú)刷直流馬達(dá)、交流感應(yīng)式馬達(dá)及永磁交流馬達(dá)。電源級(jí)電路需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)接口電路，該電路至少應(yīng)具備以下功能：1. 將MCU的邏輯輸出電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在晶體管的柵極和源極間提供一個(gè)10-15V的電平。2. 在晶體管的開通和關(guān)斷時(shí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，以克服米勒電容的影響。

高端輸出器件向來(lái)是柵極驅(qū)動(dòng)接口電路的一個(gè)問(wèn)題。在電源輸出級(jí)電路中，無(wú)論是高端或低端輸出都應(yīng)該采用N溝道器件。在裸片尺寸和擊穿電壓固定的情況下，P溝道器件的導(dǎo)通電阻往往比N溝道器件高。使用P溝道器件可簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路，但會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。裸片尺寸越大成本越高，而且P溝道器件往往比同類的N溝道器件成本高。

由于低端器件的電位是相對(duì)于電路的接地點(diǎn)而言的，因此在電源級(jí)電路中產(chǎn)生一個(gè)用于低端器件的柵極電源電壓十分容易。柵極控制電壓必須以源極電壓為參考，在高端晶體管中它是滿幅電壓。因此，電源級(jí)電路中的高端器件需要一個(gè)柵極電源，該電源基于源極電壓上下浮動(dòng)。

現(xiàn)在有許多便宜的IC可簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。但其中有些只是簡(jiǎn)單的大電流驅(qū)動(dòng)電路，不具備高端器件所需的電平轉(zhuǎn)換電路。另一些則包括電平轉(zhuǎn)換電路，可直接與邏輯及功率器件接口。選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)要視設(shè)計(jì)的絕緣要求而定。光電耦合器既可以滿足電平轉(zhuǎn)換要求，又使我們可在設(shè)計(jì)中選用簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)器IC。

在許多馬達(dá)控制設(shè)備中，線路總電源從與AC線路直接相連的全波整流電路獲得并經(jīng)過(guò)濾波。整流器的低端電壓成為整個(gè)電路的參考電壓(0V)。不過(guò)，這一參考電壓并非接地電壓。在低端也存在交流電壓，它在OV左右和峰值線電壓間來(lái)回波動(dòng)。在許多低成本應(yīng)用中，將MCU或DSC基于這一低端電位上下浮動(dòng)是有意義的。不過(guò)，如果設(shè)計(jì)要求測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的話，出于安全考慮最好加上信號(hào)隔離。至少在產(chǎn)品開發(fā)階段使用的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)硬件應(yīng)該具有信號(hào)隔離功能。

即使從盡量減少破壞來(lái)考慮，也應(yīng)該采用隔離電路。在某一具體設(shè)計(jì)中，即使沒(méi)有隔離反饋信號(hào)，也應(yīng)該隔離柵極控制信號(hào)。否則，電源器件可能會(huì)損壞或短路，從而使得直流總線電壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路耦合回來(lái)并流入邏輯器件中。

柵極驅(qū)動(dòng)器IC通常具有其它特性，包括欠壓斷電保護(hù)、插入一段死區(qū)、防止高端功率器件和低端功率器件交叉導(dǎo)通以及過(guò)電流自動(dòng)關(guān)機(jī)等。不過(guò)這些功能也會(huì)增加額外成本。

有多種方法可產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源。原則上來(lái)說(shuō)，高端驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)比DC總線電壓高出10-15V的電壓，用于輸出級(jí)電路。由于自舉電路無(wú)需浮動(dòng)電源，因此是最便宜的。如圖1所示，自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。下面的晶體管開通時(shí)將高端晶體管的源極電壓拉到0 V，只有此時(shí)電路才對(duì)電容器充電。電容器必須儲(chǔ)備足夠的電荷，以便在上端的晶體管處于開通狀態(tài)時(shí)維持所需的柵極電壓。由于帶有電容器，自舉電源無(wú)法保證上面的晶體管一直開通。當(dāng)自舉電容器上的電壓下降時(shí)，高端器件便會(huì)關(guān)斷。

由自舉電路的局限性所產(chǎn)生的副作用與馬達(dá)類型有關(guān)。對(duì)用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)而言，自舉電路會(huì)限制加在反相器上的PWM占空比。我們可以通過(guò)改變自舉電路中元件的大小來(lái)增大占空比。不過(guò)，由于BLDC和SR電動(dòng)機(jī)需要換相，因此通常不采用自舉電路。

如果高端器件的柵極驅(qū)動(dòng)必須保持連續(xù)，那么必須使用浮動(dòng)電路來(lái)產(chǎn)生比直流總線電壓高10 V至15 V的電壓。我們可以采用充電泵電路，它的電壓是相對(duì)高端晶體管的源極電壓而言的。另一種方法則是用一個(gè)高頻信號(hào)來(lái)調(diào)制柵極信號(hào)，這樣在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，高頻信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)。在圖2中，調(diào)制信號(hào)通過(guò)一只變壓器耦合到晶體管的柵極和源極，并在變壓器的次級(jí)經(jīng)過(guò)整流產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電壓。但是，這兩種方法都會(huì)增加設(shè)計(jì)的成本。

馬達(dá)反饋信號(hào)

馬達(dá)和電源控制電路需要提供各種信號(hào)，這些信號(hào)視馬達(dá)的類型及控制算法而定。采集一種反饋信號(hào)的方法很多。例如，許多馬達(dá)控制算法需要知道負(fù)載中的相電流。測(cè)量相電流的最簡(jiǎn)單方法是使用霍爾效應(yīng)電流傳感器?；魻杺鞲衅髋c驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的高壓電路完全隔離，它使用邏輯電路的電源，連接到MCU或者DSC中的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)所需元件極少，缺點(diǎn)則是成本高。

測(cè)量相電流的另一個(gè)方法是采用PWM電流傳感器IC。它測(cè)量一只與負(fù)載串聯(lián)、對(duì)電流敏感的電阻器上的電壓降。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，這些器件基于功率輸出級(jí)輸出的滿幅電壓上下浮動(dòng)，并采用自舉電源供電。這種傳感器的輸出是PWM信號(hào)，它的占空比與感應(yīng)電阻器中的電流成正比，并有兩種方法與微控制器連接。第一種方法是采用一個(gè)RC濾波器網(wǎng)絡(luò)對(duì)PWM的輸出信號(hào)濾波，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是，控制算法要求濾波器輸出中沒(méi)有紋波和相位誤差。此外使用濾波器也增加了設(shè)計(jì)的成本。另外一個(gè)方法是直接把PWM的輸出信號(hào)送到微控制器上的輸入采集外設(shè)引腳上(圖3)。這一外設(shè)在輸入信號(hào)處于上升沿和下降沿(或兩者)時(shí)采集數(shù)字時(shí)基信號(hào)的脈沖數(shù)，并用應(yīng)用軟件進(jìn)行處理，從而計(jì)算出輸入信號(hào)的周期、頻率或者占空比。

當(dāng)控制器上有“輸入采集”引腳時(shí)，我們也可以在設(shè)計(jì)中加上隔離式模擬放大器，通過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換來(lái)得到相電流。用V/F或者電壓/PWM轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)可用數(shù)字式光耦合器通過(guò)隔離電路傳到控制器。與模擬隔離方案相比，V/F轉(zhuǎn)換器+光耦合器方案成本較低。HSPACE=12 ALT="圖4：用差動(dòng)放大器來(lái)放大電阻器兩端的電壓，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。">

測(cè)量相電流的第三個(gè)方法是，在電源級(jí)電路的每個(gè)低端晶體管源極串聯(lián)一只感應(yīng)電阻器(圖4)，用差動(dòng)放大器來(lái)放大電阻器兩端的電壓，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。在使用這個(gè)方法時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器必須與控制晶體管的PWM信號(hào)同步。為了得到精確的電流信號(hào)，應(yīng)當(dāng)在電源輸出級(jí)中的低端晶體管開通時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在使用分流電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，內(nèi)建有A/D同步邏輯電路的控制器很有用。

進(jìn)行軟件開發(fā)

用傳統(tǒng)的仿真器來(lái)開發(fā)馬達(dá)控制軟件比較困難。使用仿真器時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以在任何時(shí)刻停止應(yīng)用軟件的執(zhí)行，以便查看寄存器值以及代碼執(zhí)行情況。但是，在某些時(shí)刻停止軟件執(zhí)行其實(shí)會(huì)對(duì)馬達(dá)和電源電路造成極大影響。

在停止軟件執(zhí)行時(shí)，PWM 控制值不再更新，馬達(dá)和電源輸出級(jí)電路中便會(huì)出現(xiàn)較大的直流電流。為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)該通過(guò)仿真器將PWM信號(hào)置于不會(huì)損壞負(fù)載的狀態(tài)。例如，dsPIC30F系列PWM外設(shè)部件可在仿真器停止時(shí)將所有PWM輸出引腳設(shè)置在低電平狀態(tài)。這時(shí)所有輸出器件都關(guān)斷，馬達(dá)慢慢停下來(lái)。在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，加入額外的硬件保護(hù)功能十分有用。這些功能可在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程出現(xiàn)軟件錯(cuò)誤時(shí)保護(hù)硬件不受損壞，并可在正式生產(chǎn)時(shí)去除以節(jié)省成本。這些功能包括限流、總線電壓過(guò)載保護(hù)及在高、低端晶體管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)關(guān)機(jī)。

本文小結(jié)

在選定某種控制器后，我們便要選擇相應(yīng)的元件來(lái)連接控制器和電源輸出級(jí)電路。通用MCU能夠滿足算法需求，但是它可能不具備與馬達(dá)控制直接相連的外設(shè)部件。我們必須在接口電路中增加相應(yīng)硬件，以保護(hù)輸出器件或處理反饋信號(hào)。