技术干货 | 选择合适的集成度来满足电机设计要求

来源:德州仪器发布时间:2023-06-081817浏览

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如果您正在设计电机驱动应用，以往您可能会使用如双极结型晶体管 (BJT) 等多个分立式元件来实现电机控制。尽管这种方法通常成本更低，但使用的元件总数更多，占用的布板空间更大，花费的设计时间更长，复杂度也更高。使用多个元件还可能会影响系统可靠性。

随着应用的复杂度增加、功率提高、占用空间减小，集成变得至关重要。集成解决方案可以缩短设计时间、简化采购流程以及节省成本，同时还可以确保电机系统更加可靠和高效。

在本文中，我将对不同的电机控制实现方案进行比较，包括分立式和完全集成式选项，从而帮助您找到适合您设计的方法。表 1 比较了各种电机控制选项的集成度。

表 1：用于驱动电机的集成度

采用分立式方法进行电机控制

图 1 展示了控制单元（如微控制器 (MCU)）处理电机状态的反馈，并发送信号来调节电机的扭矩、位置和速度。栅极驱动器将来自 MCU 的信号放大，以驱动电机的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

图 1：基本电机控制方框图

您可以使用 BJT 图腾柱/推挽电路作为栅极驱动电路来驱动单个 MOSFET，如图 2 所示。尽管此方法成本很低且易于实现，但 BJT 图腾柱电路所需的外部元件数量较多且占用的布板空间较大。此外，您必须复制此分立式电路，因为您需要多个 MOSFET 来驱动电机，致使所需的元件数量和布板空间成倍增加。

图 2：采用分立式 BJT 图腾柱/推挽电路实现栅极驱动器方框图

第一个集成选项：栅极驱动器 IC

基本栅极驱动器 IC 将图腾柱的功能集成到单个封装内。最近的工艺技术不断创新，使得栅极驱动器 IC 与分立式 BJT 一样实惠。

在选择栅极驱动器 IC 时需要考虑几个注意事项，例如通道数以及最适合电机功率级别的电压和电流能力，如图 3 所示。

集成式栅极驱动器 IC 包括：

单通道栅极驱动器（如德州仪器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驱动高侧和低侧高压 (>700V) 电源开关（如绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流电机
双通道半桥栅极驱动器（如 UCC27712），用于驱动 IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 电机
四通道 H 桥驱动器和六通道三相电机栅极驱动器（如 DRV8329），专为低压 MOSFET (<60V) 直流电机设计

随着电机功率级别的变化，使用栅极驱动器可以保持以前的设计，同时只改变外部 FET 以适应新的电压和电流电平。

图 3：驱动外部 FET 的栅极驱动器 IC 类型

栅极驱动器涵盖具备基本功能（如防止跨导的欠压锁定和联锁保护）的驱动器，以及具备高级功能（如用于压摆率控制和自动死区控制的智能栅极驱动技术）的驱动器。

传统上而言，由以下外部元件设置压摆率：两个源极和漏极电阻器（用于限制 MOSFET 栅极的电流）、一个二极管（用于单独调节上升和下降速率），以及一个下拉电阻器。借助智能栅极驱动技术，可以不再使用这些元件，而且可通过串行外设接口灵活调节压摆率。

六通道驱动器采用智能栅极驱动技术，无需使用多达 24 个分立式元件，节省了布板空间，也减少了物料清单 (BOM) 数量。栅极驱动器还集成了其他保护和诊断功能，包括电流检测、过流和过热保护、故障检测甚至隔离功能，这进一步减少了元件数量。

第二个集成选项：电机驱动器 IC

电机驱动器 IC 包括栅极驱动器和集成 FET，非常适合低功率电机系统 (<70W)，如图 4 所示。与栅极驱动器相比，电机驱动器 IC 的占用空间更小；集成了 FET 功率级，从而简化了设计原理图和布局。与栅极驱动器 IC 一样，电机驱动器 IC（如 DRV8962）也集成了保护和诊断功能。

图 4：具有集成 FET 的 H 桥和三相电机驱动器

在选择电机驱动解决方案时，务必要考虑内部 FET 的 RDS(ON)、峰值电流和均方根电流。考虑到内部 FET 的功率耗散，还需要执行热计算。

第三个集成选项：集成控制栅极驱动器 IC

与前两个选项不同，集成控制栅极驱动器 IC（如 MCT8329A）无需 MCU 即可进行电机控制。这些 IC 仍然具有具备保护和诊断功能的栅极驱动器，同时纳入了控制算法而无需 MCU 辅助，如图 5 所示。

电机换向算法的实现可能很复杂，无论是梯形控制、正弦控制还是磁场定向控制。集成控制栅极驱动器 IC 提供了一种无代码解决方案，可在内部处理换向算法，从而帮助您缩短设计时间，简化编码、调试和测试的复杂性。

图 5：集成控制三相栅极驱动器

借助集成控制栅极驱动器 IC，通过传感器控制或无传感器控制可灵活实现电机换向。采用传感器控制方法，可以使用外部霍尔效应传感器来检测转子位置；这些 IC 可以采用霍尔效应传感器输入，并利用电机控制算法来安静高效地驱动电机。相比之下，采用无传感器控制实现方法，无需使用外部霍尔效应传感器，从而减少了布板空间和 BOM。如果选择无传感器集成控制栅极驱动器 IC，则需要通过集成电流检测测量反电动势（反 EMF）电压，并在内部计算电机位置。

第四个集成选项：集成控制、栅极驱动器和 FET IC

最后一个集成选项通常称为“完全集成”，如图 6 所示。集成控制、栅极驱动器和 FET IC（如 MCF8315A）将无代码控制功能、具有保护和诊断功能的驱动器以及 FET 集成在一个芯片内，因此占用的布板空间更小、BOM 更少。与电机驱动器 IC 选项类似，集成控制、栅极驱动器和 FET IC 解决方案受到内部 FET 的功能限制，因此需要进行电流和热计算。