適用于家電、游戲機、計算設備和汽車(chē)的電機驅動(dòng)方案

安森美半導體在電機驅動(dòng)器領(lǐng)域有超過(guò)25年經(jīng)證實(shí)的領(lǐng)先地位，自2010年以來(lái)售出了20多億片電機驅動(dòng)器，是全球BLDC冷卻風(fēng)機和全球白家電電機驅動(dòng)器方案的領(lǐng)袖，擁有步進(jìn)、直流和無(wú)刷直流(BLDC)電機驅動(dòng)器的最寬廣的產(chǎn)品陣容，在售產(chǎn)品達400多款，并持續改進(jìn)以實(shí)現零缺陷和符合不斷發(fā)展的ISO標準。

安森美半導體利用技術(shù)專(zhuān)長(cháng)，致力于使電機驅動(dòng)器方案提供更小尺寸、更高能效和更高系統可靠性，如通過(guò)集成的方案、單電源運行、內置系統保護、小封裝等實(shí)現更小占位，通過(guò)低導通電阻/飽和電壓、同步整流、軟脈寬調制(PWM)開(kāi)關(guān)、低功耗等實(shí)現更高能效，通過(guò)內置過(guò)溫、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、擊穿等系統保護和寬工作電壓范圍實(shí)現更高系統可靠性。

電機及其驅動(dòng)器的基礎知識

電機分為交流電機和直流電機兩大類(lèi)，其中直流電機市場(chǎng)潛力巨大，全球目標市場(chǎng)容量(SAM)超過(guò)10億美元，主要有步進(jìn)、有刷和無(wú)刷等類(lèi)別。步進(jìn)電機易于控制位置，無(wú)需反饋，控制信號可以是簡(jiǎn)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(dòng)和電磁干擾(EMI)等問(wèn)題，通常通過(guò)微步數字通信克服這些缺點(diǎn)；直流有刷電機易于驅動(dòng)，可通過(guò)PWM控制驅動(dòng)速度，成本低，能效高，但容易磨損，使用壽命較短，會(huì )產(chǎn)生電刷火花和嚴重的EMI等問(wèn)題，難以高速驅動(dòng)； BLDC相對有更多的優(yōu)勢，因為無(wú)電刷，轉子結構非常簡(jiǎn)單和強固，所以噪聲低，無(wú)磨損，使用壽命長(cháng)，可靠性高，且可高速運轉，但需要復雜的驅動(dòng)電路，成本相對較高。

按集成度的不同，有3種電機驅動(dòng)器方案：系統單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門(mén)極驅動(dòng)器方案。SoC方案將DC-DC、門(mén)極驅動(dòng)器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個(gè)芯片上，集成度高，適合空間受限的應用，簡(jiǎn)單易用；ICS方案相對于SoC方案，沒(méi)有集成逆變器，因而可通過(guò)外部MOSFET支持寬范圍的功率，適用于功率較大的應用，靈活性較高；門(mén)極驅動(dòng)器方案則只集成DC-DC、門(mén)極驅動(dòng)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

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

圖1：安森美半導體廣博的BLDC電機驅動(dòng)器方案陣容

更高能效、更低噪聲：?jiǎn)位魻?80度系列BLDC電機驅動(dòng)器

能效標準在不斷提高，同時(shí)消費者還希望產(chǎn)品能更平穩、低噪聲的工作。為幫助設計人員解決這些挑戰，安森美半導體推出3款180°正弦波驅動(dòng)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，游戲機和計算設備，這3款器件可由單個(gè)霍爾傳感器控制，降低系統成本，導通電阻低至0.5 ?，超前角易于調整，提供PWM軟開(kāi)關(guān)和同步整流，因而可實(shí)現更高能效。在系統可靠性方面，此3款器件結合過(guò)流、過(guò)壓、欠壓和過(guò)溫等保護功能，還包括鎖定轉子保護和自動(dòng)恢復機制，集成度高，簡(jiǎn)化電機控制電路設計，減少噪聲和振動(dòng)，軟啟動(dòng)和關(guān)斷功能確保持續的工作穩定性。此外，這3款器件高度靈活，可通過(guò)一個(gè)直流電壓或PWM輸入進(jìn)行速度控制，還可設定最小PWM占空比，無(wú)需軟件因而省去軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖2：?jiǎn)位魻?80度BLDC電機驅動(dòng)器框圖及封裝外形圖

1. LV8811、LV8813和LV8814可滿(mǎn)足設計應用的不同需求

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。設計人員可根據不同的應用需求，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(dòng)相對較復雜，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(dòng)時(shí)的震動(dòng)；LV8813和LV8814的啟動(dòng)PWM占空比則設定為從50%到25%，有助于提供啟動(dòng)時(shí)較大的扭矩。LV8811和LV8813采用集成散熱盤(pán)的TSSOP20 封裝，LV8814采用未集成散熱盤(pán)的SSOP20封裝。

2. 單霍爾方案的啟動(dòng)過(guò)程

首先，電機通過(guò)調整操作模式找到一個(gè)固定的位置，以減少由于依賴(lài)啟動(dòng)位置的啟動(dòng)故障。如果霍爾IC檢測到調整過(guò)程中的變化，會(huì )延長(cháng)調整操作，然后在完成調整過(guò)程后立即執行180度驅動(dòng)。如圖3所示，首先通過(guò)霍爾IC檢測轉子的極性(N或S)，然后根據檢測結果進(jìn)入目標位置，隨后提出轉矩，開(kāi)始轉動(dòng)，通過(guò)檢測開(kāi)關(guān)時(shí)間，最終開(kāi)始正弦波驅動(dòng)。

圖3：從單個(gè)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動(dòng)方式的優(yōu)勢

對比3霍爾3相驅動(dòng)器、單霍爾3相驅動(dòng)器和無(wú)傳感器3相驅動(dòng)器，3霍爾驅動(dòng)器可靠性最高，速度快，但需要使用3個(gè)霍爾，占板面積和偏置電流較大，成本較高；無(wú)傳感器驅動(dòng)器無(wú)需霍爾元件，占板面積小，結構緊湊，無(wú)偏置電流，但采用非正弦驅動(dòng)方式驅動(dòng)，可靠性和速度方面都低于霍爾類(lèi)驅動(dòng)；單霍爾驅動(dòng)器則是3霍爾和無(wú)傳感器方案的折中方案。

表1對比了安森美半導體的單霍爾驅動(dòng)方案LV8813與無(wú)傳感器BLDC驅動(dòng)方案LV8804的工作電壓范圍、最大輸出電流Io、驅動(dòng)方式、傳感器、速度控制信號、外部元件及調整元件?？梢钥吹?，LV8813在速度控制方面更靈活，所需的調整元件引腳更少更簡(jiǎn)單。

表1：LV8813 vs. LV8804

LV8813采用軟啟動(dòng)的啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)調整時(shí)間1 s 后，開(kāi)始以25%的占空比開(kāi)始運轉，隨后轉向目標占空比的工作模式，該過(guò)程的變化速率為26%/s。由于LV8813采用180°驅動(dòng)方式，工作時(shí)的正弦波形更為光滑、完整，而LV8804FV 采用150°驅動(dòng)方式，波形會(huì )有一些毛刺和不規則。

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

圖4：LV8804 vs. LV8813能效測試

步進(jìn)方案

安森美半導體也提供步進(jìn)電機驅動(dòng)器方案，其中15 V以下的系列廣泛應用于玩具、監控攝像、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)應用，如打印機、自動(dòng)販賣(mài)機、收音機、縫紉機、工業(yè)機器人等。圖5為安森美半導體的12 V以上和3-15 V H橋/步進(jìn)電機驅動(dòng)器陣容。

圖5：安森美半導體的H橋/步進(jìn)電機驅動(dòng)器陣容

汽車(chē)BLDC方案

除了傳統的BLDC和步進(jìn)應用，安森美半導體還專(zhuān)注于汽車(chē)BLDC應用領(lǐng)域，如各種泵、自動(dòng)空調(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的BLDC方案。如適用于油泵、水泵、散熱器風(fēng)扇、HVAC等應用的無(wú)傳感器150度3相BLDC 預驅動(dòng)器LV8907，內置門(mén)極驅動(dòng)、LIN收發(fā)器和低壓降穩壓器(LDO)，將占板面積減至最小，配合外部功率MOSFET可實(shí)現不同的功率等級輸出。該器件通過(guò)了AEC-Q100認證，結溫最高達175 ?C，無(wú)需軟件，集成逐周期限流、過(guò)流保護、過(guò)壓/欠壓保護、過(guò)溫保護、堵轉保護等豐富的保護特性，可靠性極高。此外，LV8907可靈活地通過(guò)OTP設置實(shí)現單獨的工作模式和通過(guò)SPI進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖6：LV8907框圖

總結

安森美半導體擁有強大的電機驅動(dòng)技術(shù)及成熟的電機驅動(dòng)市場(chǎng)經(jīng)驗，寬廣的產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋BLDC、步進(jìn)電機和汽車(chē)等應用領(lǐng)域，并配合市場(chǎng)和設計人員的需求不斷創(chuàng )新，其最新的單霍爾180度BLDC驅動(dòng)系列LV881X，通過(guò)180°正弦驅動(dòng)提升電機系統能效及減小噪聲，并省去軟件開(kāi)發(fā)，節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和工作量，為冰箱的散熱風(fēng)扇及游戲機和計算設備等驅動(dòng)應用提供理想的方案。