讓高集成度電機(jī)驅(qū)動(dòng)更安全、環(huán)保和智能的方案

　　隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)了新的要求--更安全（運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低）、更環(huán)保（高效率，低功耗），以及更智能（算法先進(jìn)，易于使用）。以往，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用分立分案設(shè)計(jì)，電路板包含了前置邏輯、MOSFET驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘、電源管理、溫度傳感器、保護(hù)電路、電源控制、比較器、參考電壓等若干子電路（圖1）。這樣，電路板一來(lái)尺寸大，二來(lái)安全性也不高。

　　前不久，德州儀器（TI）推出了一款24V三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV10983.德州儀器中國(guó)區(qū)市場(chǎng)開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉介紹說(shuō)，現(xiàn)在很多電機(jī)應(yīng)用要求體積越來(lái)越小，要求將MCU和驅(qū)動(dòng)電路（包括各種保護(hù)電路）全部集成并做到電機(jī)里，這也是電機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向。

　　圖1：傳統(tǒng)分立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案需要超過(guò)100個(gè)晶體管、數(shù)字門電路、放大器、LDO、溫度傳感器和保險(xiǎn)絲。

　　德州儀器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品種類豐富（包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、螺線管驅(qū)動(dòng)器以及霍爾效應(yīng)傳感器IC等），有著超過(guò)15年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；以客戶定制的形式廣泛應(yīng)用于硬盤、光驅(qū)、噴墨打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、汽車工業(yè)等行業(yè)中。德州儀器在2010年成立了電機(jī)驅(qū)動(dòng)事業(yè)部（MDBU），開始進(jìn)軍大眾市場(chǎng)。

　　信本偉指出，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)做成高集成度的解決方案，將驅(qū)動(dòng)器、MOS管、保護(hù)電路、控制開關(guān)、算法全部集成在一起，這樣做的好處是：1、減小PCB尺寸，縮減BOM;2、因?yàn)榧啥雀?，所以可靠性得到提升，整個(gè)電路的一致性非常高；3、客戶無(wú)需分立方案設(shè)計(jì)，直接用一顆IC就可以進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。此外，TI所有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品都提供了完全保護(hù)，包括過(guò)流/短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓閉鎖，以及擊穿保護(hù)等。

　　在保護(hù)方面，與地、電源或線圈之間的短路等情況都需要做過(guò)流保護(hù)。不同于電流調(diào)節(jié)電路，TI產(chǎn)品包括另外一個(gè)保護(hù)電路“ILIMIT”。ILIMIT是個(gè)比較復(fù)雜的硬件電路的算法。通過(guò)減小功率管的柵極電壓，其電源漏極電阻會(huì)增加，從而限制通過(guò)的電流。在這方面，TI產(chǎn)品具有約100ns的快速響應(yīng)時(shí)間。每個(gè)功率管都需要單獨(dú)的保護(hù)機(jī)制，同時(shí)需要能迅速對(duì)過(guò)流情況進(jìn)行反映，又不能有誤判。分立器件的保護(hù)電路一般只管總的一級(jí)，單一功率MOSFET管燒掉不會(huì)保護(hù)，待第二個(gè)MOSFET燒掉時(shí)才動(dòng)作為時(shí)已晚。

　　TI的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系列DRV88xx在完全短路時(shí)，回路電流能在約400內(nèi)恢復(fù)到9A，同時(shí)輸出級(jí)在約3μs后被關(guān)斷。如果稍微關(guān)慢一點(diǎn)，9A意味著電機(jī)和后面的電路將全部燒掉。

　　DRV88xx中集成的保護(hù)還包括欠壓閉鎖、擊穿保護(hù)和熱關(guān)斷等功能。欠壓閉鎖--芯片自行持續(xù)監(jiān)測(cè)供電電壓值，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)將輸出端設(shè)置成高阻抗?fàn)顟B(tài)，確保H橋能夠正常運(yùn)作。擊穿保護(hù)--同一個(gè)半橋的高低側(cè)絕不允許同時(shí)打開，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，高側(cè)關(guān)斷和低側(cè)導(dǎo)通之間人為地增加一段延時(shí)（停滯時(shí)間）。停滯時(shí)間越長(zhǎng)H橋接的運(yùn)作越安全，但同時(shí)線性度和效率也越差。熱關(guān)斷--過(guò)度發(fā)熱，熱沉不足。環(huán)境溫度過(guò)高等都可能對(duì)芯片造成損害。TI芯片內(nèi)部集成了多個(gè)熱感應(yīng)器來(lái)持續(xù)監(jiān)控溫度、當(dāng)芯片溫度上升到過(guò)熱的閾值時(shí)，H橋?qū)⒈辉O(shè)置成高阻，微步進(jìn)細(xì)分也將被重置。TI的部分產(chǎn)品在熱關(guān)斷之前可以先進(jìn)行預(yù)判，預(yù)判溫度一般比熱關(guān)斷閾值低20℃~30℃。

　　在工藝方面，TI電機(jī)驅(qū)動(dòng)的RDSON能做到100mΩ以下，而其他廠商很多都只能做到200mΩ~300mΩ。內(nèi)阻越小功耗就越低，在休眠的狀態(tài)下漏電的可能性就越小。另外是PowerPad，芯片底部有個(gè)散熱片，直接貼在PCB上，靠背面的地（銅箔）做散熱，這樣就可以節(jié)省散熱片的使用。

　　在算法方面，TI有個(gè)Kilby實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室里有很多專門做電機(jī)的專家，研究處理算法。DRV8818不管是在做全步步進(jìn)、1/2細(xì)分、1/4細(xì)分，還是在做1/8細(xì)分的時(shí)候都非常均勻。此外，TI的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擁有較同類產(chǎn)品更小的過(guò)零失真和電感放電失真，這意味著更小的轉(zhuǎn)矩紋波，更平滑的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　最新的DRV10983的一個(gè)應(yīng)用是廚房用的排氣扇。以前廚房排氣扇采用交流電機(jī)設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，但是功耗很高。現(xiàn)在市場(chǎng)上都在用24V的三相無(wú)傳感器電機(jī)，一是電機(jī)成本并沒有升高，二是能效控制非常好，而且可以做無(wú)極調(diào)速。同時(shí)它會(huì)提供詳細(xì)的報(bào)告，比如是否堵轉(zhuǎn)，電源是否過(guò)壓/欠壓等。

　　信本偉透露，現(xiàn)在很多風(fēng)扇類的廠商都在考慮使用這個(gè)方案。因?yàn)楝F(xiàn)在國(guó)家對(duì)能效比提出要求，所以未來(lái)交流轉(zhuǎn)直流一定是電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。如果采用三相帶霍爾的設(shè)計(jì)會(huì)很麻煩，因此現(xiàn)在基本上廠商會(huì)選三相無(wú)霍爾的設(shè)計(jì)。同時(shí)，做三相最基本的方法是每相120°，這種方法一是穩(wěn)定性不好，二是有噪聲。TI的180°三相正弦控制算法在相與相之間有重疊區(qū)，轉(zhuǎn)起來(lái)會(huì)很平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)靜音工作。此外，DRV10893內(nèi)部集成了可編程轉(zhuǎn)換配置文件、IPD、Align+Go、正向和反向啟動(dòng)、可調(diào)節(jié)通信角度、同步整流、高級(jí)轉(zhuǎn)子鎖定保護(hù)等功能（圖2）。

　　圖2:24V三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV10983。