適用于家電、游戲機、計算設(shè)備和汽車的電機驅(qū)動方案

安森美半導(dǎo)體在電機驅(qū)動器領(lǐng)域有超過25年經(jīng)證實的領(lǐng)先地位，自2010年以來售出了20多億片電機驅(qū)動器，是全球BLDC冷卻風(fēng)機和全球白家電電機驅(qū)動器方案的領(lǐng)袖，擁有步進、直流和無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動器的最寬廣的產(chǎn)品陣容，在售產(chǎn)品達400多款，并持續(xù)改進以實現(xiàn)零缺陷和符合不斷發(fā)展的ISO標準。

安森美半導(dǎo)體利用技術(shù)專長，致力于使電機驅(qū)動器方案提供更小尺寸、更高能效和更高系統(tǒng)可靠性，如通過集成的方案、單電源運行、內(nèi)置系統(tǒng)保護、小封裝等實現(xiàn)更小占位，通過低導(dǎo)通電阻/飽和電壓、同步整流、軟脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)、低功耗等實現(xiàn)更高能效，通過內(nèi)置過溫、欠壓、過壓、過流、擊穿等系統(tǒng)保護和寬工作電壓范圍實現(xiàn)更高系統(tǒng)可靠性。

電機及其驅(qū)動器的基礎(chǔ)知識

電機分為交流電機和直流電機兩大類，其中直流電機市場潛力巨大，全球目標市場容量(SAM)超過10億美元，主要有步進、有刷和無刷等類別。步進電機易于控制位置，無需反饋，控制信號可以是簡單的PWM脈沖串，易于接口到MCU，但能效較低，有相對高的噪聲、震動和電磁干擾(EMI)等問題，通常通過微步數(shù)字通信克服這些缺點；直流有刷電機易于驅(qū)動，可通過PWM控制驅(qū)動速度，成本低，能效高，但容易磨損，使用壽命較短，會產(chǎn)生電刷火花和嚴重的EMI等問題，難以高速驅(qū)動； BLDC相對有更多的優(yōu)勢，因為無電刷，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡單和強固，所以噪聲低，無磨損，使用壽命長，可靠性高，且可高速運轉(zhuǎn)，但需要復(fù)雜的驅(qū)動電路，成本相對較高。

按集成度的不同，有3種電機驅(qū)動器方案：系統(tǒng)單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門極驅(qū)動器方案。SoC方案將DC-DC、門極驅(qū)動器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個芯片上，集成度高，適合空間受限的應(yīng)用，簡單易用；ICS方案相對于SoC方案，沒有集成逆變器，因而可通過外部MOSFET支持寬范圍的功率，適用于功率較大的應(yīng)用，靈活性較高；門極驅(qū)動器方案則只集成DC-DC、門極驅(qū)動器和反饋/保護，因為控制器和功率器件都在外部，所以具有最高的靈活度。

標準的BLDC方案

安森美半導(dǎo)體的BLDC電機驅(qū)動器方案已廣泛應(yīng)用于計算機、服務(wù)器、電動工具、打印機、冰箱、微波爐和汽車等應(yīng)用。如圖1所示，根據(jù)輸出電流和電壓范圍的不同，我們標注出了不同的BLDC電機驅(qū)動器方案更適合的應(yīng)用。

圖1：安森美半導(dǎo)體廣博的BLDC電機驅(qū)動器方案陣容

更高能效、更低噪聲：單霍爾180度系列BLDC電機驅(qū)動器

能效標準在不斷提高，同時消費者還希望產(chǎn)品能更平穩(wěn)、低噪聲的工作。為幫助設(shè)計人員解決這些挑戰(zhàn)，安森美半導(dǎo)體推出3款180°正弦波驅(qū)動3相BLDC電機的器件：LV8811、LV8813和LV8814(如圖2所示)，適用于家電如冰箱的散熱風(fēng)扇，游戲機和計算設(shè)備，這3款器件可由單個霍爾傳感器控制，降低系統(tǒng)成本，導(dǎo)通電阻低至0.5 ?，超前角易于調(diào)整，提供PWM軟開關(guān)和同步整流，因而可實現(xiàn)更高能效。在系統(tǒng)可靠性方面，此3款器件結(jié)合過流、過壓、欠壓和過溫等保護功能，還包括鎖定轉(zhuǎn)子保護和自動恢復(fù)機制，集成度高，簡化電機控制電路設(shè)計，減少噪聲和振動，軟啟動和關(guān)斷功能確保持續(xù)的工作穩(wěn)定性。此外，這3款器件高度靈活，可通過一個直流電壓或PWM輸入進行速度控制，還可設(shè)定最小PWM占空比，無需軟件因而省去軟件開發(fā)時間。

圖2：單霍爾180度BLDC電機驅(qū)動器框圖及封裝外形圖

1. LV8811、LV8813和LV8814可滿足設(shè)計應(yīng)用的不同需求

LV8811、LV8813和LV8814的最大電源電壓、最大輸出電流、REG引腳和HB引腳的最大輸出電流都是相同的，VCC工作電壓范圍分別為3.6 V至16 V、6 V至16 V，和3.6 V至16 V，低壓關(guān)斷閾值分別為2.5 V 、3.8 V和2.5 V。設(shè)計人員可根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇適合的型號。這3款器件最大的不同在于占空比：LV8811的啟動相對較復(fù)雜，其脈寬變化較為平滑，占空比從6%到5%，再到20%，最后到15%，可減少啟動時的震動；LV8813和LV8814的啟動PWM占空比則設(shè)定為從50%到25%，有助于提供啟動時較大的扭矩。LV8811和LV8813采用集成散熱盤的TSSOP20 封裝，LV8814采用未集成散熱盤的SSOP20封裝。

2. 單霍爾方案的啟動過程

首先，電機通過調(diào)整操作模式找到一個固定的位置，以減少由于依賴啟動位置的啟動故障。如果霍爾IC檢測到調(diào)整過程中的變化，會延長調(diào)整操作，然后在完成調(diào)整過程后立即執(zhí)行180度驅(qū)動。如圖3所示，首先通過霍爾IC檢測轉(zhuǎn)子的極性(N或S)，然后根據(jù)檢測結(jié)果進入目標位置，隨后提出轉(zhuǎn)矩，開始轉(zhuǎn)動，通過檢測開關(guān)時間，最終開始正弦波驅(qū)動。

圖3：從單個霍爾IC中的信息，生成一組A至C和D至F的位置。

3. 單霍爾相對于其它驅(qū)動方式的優(yōu)勢

對比3霍爾3相驅(qū)動器、單霍爾3相驅(qū)動器和無傳感器3相驅(qū)動器，3霍爾驅(qū)動器可靠性最高，速度快，但需要使用3個霍爾，占板面積和偏置電流較大，成本較高；無傳感器驅(qū)動器無需霍爾元件，占板面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，無偏置電流，但采用非正弦驅(qū)動方式驅(qū)動，可靠性和速度方面都低于霍爾類驅(qū)動；單霍爾驅(qū)動器則是3霍爾和無傳感器方案的折中方案。

表1對比了安森美半導(dǎo)體的單霍爾驅(qū)動方案LV8813與無傳感器BLDC驅(qū)動方案LV8804的工作電壓范圍、最大輸出電流Io、驅(qū)動方式、傳感器、速度控制信號、外部元件及調(diào)整元件。可以看到，LV8813在速度控制方面更靈活，所需的調(diào)整元件引腳更少更簡單。

表1：LV8813 vs. LV8804

LV8813采用軟啟動的啟動方式，在啟動調(diào)整時間1 s 后，開始以25%的占空比開始運轉(zhuǎn)，隨后轉(zhuǎn)向目標占空比的工作模式，該過程的變化速率為26%/s。由于LV8813采用180°驅(qū)動方式，工作時的正弦波形更為光滑、完整，而LV8804FV 采用150°驅(qū)動方式，波形會有一些毛刺和不規(guī)則。

此外，我們對LV8813和LV8804進行了能效測試。如圖4所示，當轉(zhuǎn)速低于1,100 rpm時，LV8804 和LV8813 表現(xiàn)出差不多的能效(電機A)，但當轉(zhuǎn)速提高到1,100 rpm以上時，LV8813 比LV8804能效更高(電機B)。

圖4：LV8804 vs. LV8813能效測試

步進方案

安森美半導(dǎo)體也提供步進電機驅(qū)動器方案，其中15 V以下的系列廣泛應(yīng)用于玩具、監(jiān)控攝像、冰箱、微波爐、煤氣爐、洗衣機、舞臺燈等，24 V系列則主要集中在工業(yè)應(yīng)用，如打印機、自動販賣機、收音機、縫紉機、工業(yè)機器人等。圖5為安森美半導(dǎo)體的12 V以上和3-15 V H橋/步進電機驅(qū)動器陣容。

圖5：安森美半導(dǎo)體的H橋/步進電機驅(qū)動器陣容

汽車BLDC方案

除了傳統(tǒng)的BLDC和步進應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體還專注于汽車BLDC應(yīng)用領(lǐng)域，如各種泵、自動空調(diào)(HVAC)風(fēng)機、座椅風(fēng)扇、散熱器風(fēng)扇、LED大燈風(fēng)扇等，可針對不同的功率級別提供相應(yīng)的BLDC方案。如適用于油泵、水泵、散熱器風(fēng)扇、HVAC等應(yīng)用的無傳感器150度3相BLDC 預(yù)驅(qū)動器LV8907，內(nèi)置門極驅(qū)動、LIN收發(fā)器和低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，將占板面積減至最小，配合外部功率MOSFET可實現(xiàn)不同的功率等級輸出。該器件通過了AEC-Q100認證，結(jié)溫最高達175 ?C，無需軟件，集成逐周期限流、過流保護、過壓/欠壓保護、過溫保護、堵轉(zhuǎn)保護等豐富的保護特性，可靠性極高。此外，LV8907可靈活地通過OTP設(shè)置實現(xiàn)單獨的工作模式和通過SPI進行實時控制。

圖6：LV8907框圖

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體擁有強大的電機驅(qū)動技術(shù)及成熟的電機驅(qū)動市場經(jīng)驗，寬廣的產(chǎn)品線覆蓋BLDC、步進電機和汽車等應(yīng)用領(lǐng)域，并配合市場和設(shè)計人員的需求不斷創(chuàng)新，其最新的單霍爾180度BLDC驅(qū)動系列LV881X，通過180°正弦驅(qū)動提升電機系統(tǒng)能效及減小噪聲，并省去軟件開發(fā)，節(jié)省開發(fā)時間和工作量，為冰箱的散熱風(fēng)扇及游戲機和計算設(shè)備等驅(qū)動應(yīng)用提供理想的方案。