按摩椅中的有刷電機驅(qū)動

近年來，隨著人們健康意識的增強，亞健康、中國老年、商旅辦公等人群的擴大，以及智能化按摩椅產(chǎn)品的不斷更新升級，具有良好按摩保健功效的按摩椅正逐步獲得廣大消費者的認可。從電機的種類上來看，有刷電機因其簡單的控制方式和優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在調(diào)速領(lǐng)域一直占有主導(dǎo)地位。為了提高功率，按摩椅中的驅(qū)動往往采用12/24V有刷電機，考慮到電機運轉(zhuǎn)中的瞬態(tài)電壓，往往會采用40-50V耐壓范圍的驅(qū)動芯片。

本文會著重介紹TI集成MOSFET的有刷電機驅(qū)動芯片的電流輸出級特性，以及如何增強驅(qū)動峰值電流。

有刷電機驅(qū)動芯片的電流輸出

圖表 1：DRV8840輸出級

由于在按摩椅的使用場景中，經(jīng)常會遇到重載啟動或高轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)的情況，下面先對有刷電機驅(qū)動的輸出電流部分進行分析：

有刷電機的速度由加在電機電樞兩端的電壓決定，方向由芯片內(nèi)部集成的H橋來控制，速度越快時產(chǎn)生的反電動勢越大。下面公式中I為流過電機線圈的電流，U為電機兩端外加電壓，E為反電動勢，R為線圈電阻。

當電機堵轉(zhuǎn)或者剛啟動時，速度為0則反電動勢為0，此時電流最大，對應(yīng)了驅(qū)動芯片帶載能力。為了避免堵轉(zhuǎn)時電流過大燒毀電機，TI的BDC驅(qū)動芯片都具有限流功能，以DRV8840（圖表 1）為例，通過在ISEN引腳上串聯(lián)一個采樣電阻，將這個電壓與參考電壓VREF進行比較，得到限流閾值：

這個大電流會通過Rsense采樣電阻，往往這個電阻會采用毫歐級別的功率電阻，占板面積較大。并且在按摩椅的一些應(yīng)用場合中需要采集此電流值，來判斷電機的輸出扭矩，這時還需要一顆額外的運放以增大ADC的輸入阻抗，再通過ADC來實現(xiàn)電流采集。在傳統(tǒng)的有刷電機驅(qū)動應(yīng)用中，這種方式最為普遍，占用的PCB板面積也最大。

有刷電機驅(qū)動芯片新特性

在TI最新的50V耐壓的有刷電機驅(qū)動芯片中，例如DRV8256（圖表 2），內(nèi)部采用了電流鏡的技術(shù)，在啟動期間和高負載事件中，集成電流感測可實現(xiàn)通過驅(qū)動器調(diào)節(jié)電機浪涌電流。結(jié)合可調(diào)外部電壓基準Vref，可設(shè)置電流限值。

這種技術(shù)無需大功率分流電阻器，可以節(jié)省電路板面積并降低系統(tǒng)成本，但也失去了預(yù)留在外的電流路徑，這樣對于一些需要采集總電流的場合也不適用。值得注意的是無法在OUT1和OUT2引腳之間，再串接采樣電阻，這個電流是雙向變化的，同時對地共模電壓也非常高，無須也沒必要再額外引入一路浮地的運放和電源。同樣也不建議在PGND引腳和地之間串接采樣電阻，這樣會破壞PGND（功率地）和GND（邏輯地）之間的電勢差，導(dǎo)致控制邏輯出錯。

圖表 2：DRV8256輸出級

又或者參考TI另一顆有刷電機驅(qū)動芯片DRV8251A（圖表 3），芯片內(nèi)部的電流鏡將通過下管MOSFET的電流鏡像成一個電流源，縮小一個AIPROPI（uA/A）系數(shù)，通過外接在IPROPI引腳上的一個大電阻（kΩ）轉(zhuǎn)換成一個電壓值VIPROPI，再接入ADC的輸入端進行電流采集。這種比例電流鏡的方式不但省去了一個mΩ級的大個頭采樣電阻，內(nèi)部電流源產(chǎn)生的采樣電壓專供采樣電阻，輸入阻抗足夠大，可以直接進ADC采樣端。

圖表 3：DRV8251A輸出級

并聯(lián)驅(qū)動芯片以提高帶載能力

由于TI的有刷電機驅(qū)動芯片內(nèi)置MOSFET，Rds-on決定了持續(xù)電流通過時的發(fā)熱量，當溫升超過節(jié)溫限制時芯片將強制進入OTP保護，并在溫度回落或者固定時長后auto retry。當負載的電流需求超過了單顆有刷電機驅(qū)動芯片的電流峰值時，除了了選用更大封裝，優(yōu)化散熱盤layout之外，還有一種并聯(lián)驅(qū)動芯片以提高電流輸出能力的方法。

如圖表 4所示：將兩顆相同的DRV8251A輸入和輸出級并聯(lián)，電流會均分到兩顆芯片內(nèi)部的H橋中，在不觸發(fā)過流保護的前提下增加了輸出端的驅(qū)動能力。

圖表 4：并聯(lián)DRV8251A提高電流輸出能力

在調(diào)整芯片限流值時有以下兩點需要注意：

●   前面提到的芯片限流值由IPROP和Vref兩個引腳上的電壓比較決定的，一般會使用同一個3V電源軌來對Vref引腳進行供電。如果分別對兩顆芯片進行電流采樣，且采樣電阻上使用的是常見的1%精度的貼片電阻，往往會在IPROP引腳上引入一個最高2%的誤差，這會意味著兩顆芯片的限流值不同。

●   不同芯片中H橋的MOSFET內(nèi)阻并不完全一致，如果僅將輸入輸出引腳并聯(lián)，會導(dǎo)致電流無法平均流向兩顆芯片。疊加以上兩點，限流值不同的兩顆芯片驅(qū)動能力并不是簡單的相加關(guān)系，一顆芯片進入限流狀態(tài)時由于負載過大，會導(dǎo)致另一顆芯片也進入限流狀態(tài)。

一個簡單的解決方案是將兩顆芯片的Vref引腳用同一個電源軌供電，將IPROP引腳連到同一個采樣電阻上，這樣可以保證兩顆芯片的限流值一樣，輸出電流也呈線性關(guān)系。

作者：Sirui Zhu