讓高集成度電機驅動(dòng)更安全、環(huán)保和智能的方案

　　隨著(zhù)電機驅動(dòng)的發(fā)展，市場(chǎng)對電機驅動(dòng)出現了新的要求--更安全（運行穩定，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，電機驅動(dòng)采用分立分案設計，電路板包含了前置邏輯、MOSFET驅動(dòng)、時(shí)鐘、電源管理、溫度傳感器、保護電路、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電機驅動(dòng)器DRV10983.德州儀器中國區市場(chǎng)開(kāi)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)，現在很多電機應用要求體積越來(lái)越小，要求將MCU和驅動(dòng)電路（包括各種保護電路）全部集成并做到電機里，這也是電機未來(lái)的發(fā)展方向。

　　圖1：傳統分立式電機驅動(dòng)解決方案需要超過(guò)100個(gè)晶體管、數字門(mén)電路、放大器、LDO、溫度傳感器和保險絲。

　　德州儀器電機驅動(dòng)器產(chǎn)品種類(lèi)豐富（包括步進(jìn)電機驅動(dòng)器、有刷直流電機驅動(dòng)器、無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器、螺線(xiàn)管驅動(dòng)器以及霍爾效應傳感器IC等），有著(zhù)超過(guò)15年的設計經(jīng)驗；以客戶(hù)定制的形式廣泛應用于硬盤(pán)、光驅、噴墨打印機、數碼相機、汽車(chē)工業(yè)等行業(yè)中。德州儀器在2010年成立了電機驅動(dòng)事業(yè)部（MDBU），開(kāi)始進(jìn)軍大眾市場(chǎng)。

　　信本偉指出，將電機驅動(dòng)做成高集成度的解決方案，將驅動(dòng)器、MOS管、保護電路、控制開(kāi)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、因為集成度高，所以可靠性得到提升，整個(gè)電路的一致性非常高；3、客戶(hù)無(wú)需分立方案設計，直接用一顆IC就可以進(jìn)行產(chǎn)品設計。此外，TI所有的電機驅動(dòng)產(chǎn)品都提供了完全保護，包括過(guò)流/短路保護、過(guò)熱保護、欠壓閉鎖，以及擊穿保護等。

　　在保護方面，與地、電源或線(xiàn)圈之間的短路等情況都需要做過(guò)流保護。不同于電流調節電路，TI產(chǎn)品包括另外一個(gè)保護電路“ILIMIT”。ILIMIT是個(gè)比較復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的快速響應時(shí)間。每個(gè)功率管都需要單獨的保護機制，同時(shí)需要能迅速對過(guò)流情況進(jìn)行反映，又不能有誤判。分立器件的保護電路一般只管總的一級，單一功率MOSFET管燒掉不會(huì )保護，待第二個(gè)MOSFET燒掉時(shí)才動(dòng)作為時(shí)已晚。

　　TI的電機驅動(dòng)系列DRV88xx在完全短路時(shí)，回路電流能在約400內恢復到9A，同時(shí)輸出級在約3μs后被關(guān)斷。如果稍微關(guān)慢一點(diǎn)，9A意味著(zhù)電機和后面的電路將全部燒掉。

　　DRV88xx中集成的保護還包括欠壓閉鎖、擊穿保護和熱關(guān)斷等功能。欠壓閉鎖--芯片自行持續監測供電電壓值，當電壓過(guò)低時(shí)將輸出端設置成高阻抗狀態(tài)，確保H橋能夠正常運作。擊穿保護--同一個(gè)半橋的高低側絕不允許同時(shí)打開(kāi)，為了避免此現象的發(fā)生，高側關(guān)斷和低側導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(cháng)H橋接的運作越安全，但同時(shí)線(xiàn)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)高等都可能對芯片造成損害。TI芯片內部集成了多個(gè)熱感應器來(lái)持續監控溫度、當芯片溫度上升到過(guò)熱的閾值時(shí)，H橋將被設置成高阻，微步進(jìn)細分也將被重置。TI的部分產(chǎn)品在熱關(guān)斷之前可以先進(jìn)行預判，預判溫度一般比熱關(guān)斷閾值低20℃~30℃。

　　在工藝方面，TI電機驅動(dòng)的RDSON能做到100mΩ以下，而其他廠(chǎng)商很多都只能做到200mΩ~300mΩ。內阻越小功耗就越低，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，這樣就可以節省散熱片的使用。

　　在算法方面，TI有個(gè)Kilby實(shí)驗室，該實(shí)驗室里有很多專(zhuān)門(mén)做電機的專(zhuān)家，研究處理算法。DRV8818不管是在做全步步進(jìn)、1/2細分、1/4細分，還是在做1/8細分的時(shí)候都非常均勻。此外，TI的步進(jìn)電機驅動(dòng)器擁有較同類(lèi)產(chǎn)品更小的過(guò)零失真和電感放電失真，這意味著(zhù)更小的轉矩紋波，更平滑的電機運轉。

　　最新的DRV10983的一個(gè)應用是廚房用的排氣扇。以前廚房排氣扇采用交流電機設計很簡(jiǎn)單，但是功耗很高?，F在市場(chǎng)上都在用24V的三相無(wú)傳感器電機，一是電機成本并沒(méi)有升高，二是能效控制非常好，而且可以做無(wú)極調速。同時(shí)它會(huì )提供詳細的報告，比如是否堵轉，電源是否過(guò)壓/欠壓等。

　　信本偉透露，現在很多風(fēng)扇類(lèi)的廠(chǎng)商都在考慮使用這個(gè)方案。因為現在國家對能效比提出要求，所以未來(lái)交流轉直流一定是電機的發(fā)展趨勢。如果采用三相帶霍爾的設計會(huì )很麻煩，因此現在基本上廠(chǎng)商會(huì )選三相無(wú)霍爾的設計。同時(shí)，做三相最基本的方法是每相120°，這種方法一是穩定性不好，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，轉起來(lái)會(huì )很平穩，能夠實(shí)現靜音工作。此外，DRV10893內部集成了可編程轉換配置文件、IPD、Align+Go、正向和反向啟動(dòng)、可調節通信角度、同步整流、高級轉子鎖定保護等功能（圖2）。

　　圖2:24V三相無(wú)傳感器BLDC電機驅動(dòng)器DRV10983。