有刷直流电机的PWM驱动时的注意事项:损耗和开关方法

在上一篇文章中介绍了PWM驱动方式下的有刷直流电机的四种电流再生方法。本文将介绍有刷直流电机的PWM驱动时的注意事项：损耗和开关方法。

使用PWM输出方式驱动有刷直流电机：损耗的思路

由于PWM驱动是脉冲驱动，因此其功耗仅是一个周期内电机的电压施加（导通）期间的功耗和电流再生（关断）期间的功耗的平均值。严格来讲，如下图所示，可以分电压施加期间（红色）、电流再生期间（蓝色）和转换期间（黄色）三种状态的功耗来考虑。通常，稳态期间的损耗为传导损耗，开/关转换期间的损耗为开关损耗。

●施加电压期间的功耗

（a）图显示了施加电压时的开关（MOSFET）状态。由于电流流过两个MOSFET导通的路径，因此这里的损耗为导通的MOSFET的导通电阻之和×电流的平方。

●电流再生期间的功耗

如上一篇文章中所述，有四种电流再生的方法，并且电流路径不同损耗也不同。

在（b）和（e）中，由于两个导通的MOSFET成为电流路径，因此，损耗为导通的MOSFET的导通电阻之和×电流的平方。

在（d）中，由于电流经由两个MOSFET的寄生二极管，因此损耗是各寄生二极管的VF之和×电流。

在（c）中，由于电流经由导通的MOSFET和关断的MOSFET的寄生二极管，因此损耗是导通的MOSFET的导通电阻×电流的平方＋关断的MOSFET的寄生二极管的VF×电流。

● 转换时的损耗

这项有些复杂。 
通常，开关损耗可以通过以下公式来计算。

转换时的损耗=0.5×Ea×I×（tr+tf）×fsw

Ea：施加电压，I：电流，tr：上升时间，tf：下降时间，fsw：开关频率

但是，tr和fr需要根据实际波形求得，而实际波形并不总是如图所示的整齐线形，因此需要考虑到这一点。另外，对施加的电压和电流进行实际测量更能获得可靠的结果。

使用PWM输出方式驱动的有刷直流电机：注意事项

●转换时的损耗和噪声

从前面的公式可以看出，随着上升时间tr和下降时间tf变快，转换损耗（即开关损耗）会变小。开关速度（压摆率）越快，开关损耗越小，最终功耗越小=效率越高，但另一方面，开关噪声也会增加。这是因为效率和噪声之间存在此起彼消的矛盾关系，因此需要在两者之间找到折衷方案。

●高边/低边开关切换时序

这是同步整流开关稳压器必不可少的控制，关于H桥的高边/低边对（在上图中为Q1/Q2、Q3/Q4）的ON/OFF，必须控制H桥，使高边和低边不发生同时导通期间。如果它们同时导通，则电源和GND将会短路，并可能会流过被称为“直通（Shoot Through）电流的大电流，甚至还会造成损坏。

为了防止同时导通，需要设置一个控制电路，以实现包含可以使高低边开关同时关断期间（俗称“死区时间”）的开关动作。但是，死区时间段会成为损耗，需要尽可能地缩短该时间段，并需要非常先进的控制以同时兼顾高效高速开关（转换速率）。实际上，很难用外部电路来组成这样的控制电路，因此通常使用电机驱动器IC中配备的防止同时导通的电路。

●PWM频率

开关损耗随着PWM频率（即电压施加和电流再生周期）的增加而增加。从前面的公式中也可以清楚地看出这一点。当希望通过增加频率来减轻电流纹波时，就需要在频率与效率之间进行权衡。

●确认电机驱动器IC是否支持PWM驱动

很简单，如果在电机驱动器IC的技术规格书中没有“支持PWM驱动”的描述，则有可能无法进行PWM驱动。当特别希望用PWM方式驱动某款驱动器时，就需要与制造商确认。

如果用PWM方式驱动了不支持PWM驱动的驱动器，则很有可能无法工作，即使工作也会发生误动作或者需要外置部件或电路，因此原则上不建议尝试。

关键要点：

・关于有刷直流电机的PWM驱动损耗，可以从施加电压时、电流再生时和转换时三个状态来考虑。

・关于有刷直流电机的PWM驱动损耗，当提高开关速度（转换速率）时，效率会提高，但噪声会增加。

・关于有刷直流电机的PWM驱动损耗，当提高PWM频率时，可以减少电流纹波，但效率会降低。