功率驅動(dòng)器件與MCU/DSC的接口電路設計技巧

由于MCU和DSC的成本大幅下降，目前多數馬達控制設計中都使用MCU和數字信號控制器(DSC)來(lái)執行馬達控制算法。本文介紹了一些方法和技巧，可將MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口(I/O)與功率電子驅動(dòng)電路接口，并講述了如何正確地進(jìn)行相關(guān)硬件及軟件開(kāi)發(fā)的方法。

在進(jìn)行MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口(I/O)與功率電子驅動(dòng)電路的接口設計時(shí)，除了性能和價(jià)格需要權衡考慮外，還有許多方面要折衷處理。我們可根據以下問(wèn)題來(lái)選擇接口元件：1. 本電路需要驅動(dòng)何種馬達？2. 該馬達采用何種算法進(jìn)行控制？3. 控制器外設可簡(jiǎn)化哪些接口要求？4. 電氣安全要求是什么？5. 此設計是否用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)？

柵極驅動(dòng)接口電路
HSPACE=12 ALT="圖1：自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。">

半橋輸出電路結構可用于控制多種馬達，包括有刷直流馬達、無(wú)刷直流馬達、交流感應式馬達及永磁交流馬達。電源級電路需要一個(gè)柵極驅動(dòng)接口電路，該電路至少應具備以下功能：1. 將MCU的邏輯輸出電平進(jìn)行轉換，在晶體管的柵極和源極間提供一個(gè)10-15V的電平。2. 在晶體管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)提供足夠大的驅動(dòng)電流，以克服米勒電容的影響。

高端輸出器件向來(lái)是柵極驅動(dòng)接口電路的一個(gè)問(wèn)題。在電源輸出級電路中，無(wú)論是高端或低端輸出都應該采用N溝道器件。在裸片尺寸和擊穿電壓固定的情況下，P溝道器件的導通電阻往往比N溝道器件高。使用P溝道器件可簡(jiǎn)化柵極驅動(dòng)電路，但會(huì )增加設計成本。裸片尺寸越大成本越高，而且P溝道器件往往比同類(lèi)的N溝道器件成本高。

由于低端器件的電位是相對于電路的接地點(diǎn)而言的，因此在電源級電路中產(chǎn)生一個(gè)用于低端器件的柵極電源電壓十分容易。柵極控制電壓必須以源極電壓為參考，在高端晶體管中它是滿(mǎn)幅電壓。因此，電源級電路中的高端器件需要一個(gè)柵極電源，該電源基于源極電壓上下浮動(dòng)。

現在有許多便宜的IC可簡(jiǎn)化柵極驅動(dòng)電路的設計。但其中有些只是簡(jiǎn)單的大電流驅動(dòng)電路，不具備高端器件所需的電平轉換電路。另一些則包括電平轉換電路，可直接與邏輯及功率器件接口。選擇柵極驅動(dòng)器時(shí)要視設計的絕緣要求而定。光電耦合器既可以滿(mǎn)足電平轉換要求，又使我們可在設計中選用簡(jiǎn)單的柵極驅動(dòng)器IC。

在許多馬達控制設備中，線(xiàn)路總電源從與AC線(xiàn)路直接相連的全波整流電路獲得并經(jīng)過(guò)濾波。整流器的低端電壓成為整個(gè)電路的參考電壓(0V)。不過(guò)，這一參考電壓并非接地電壓。在低端也存在交流電壓，它在OV左右和峰值線(xiàn)電壓間來(lái)回波動(dòng)。在許多低成本應用中，將MCU或DSC基于這一低端電位上下浮動(dòng)是有意義的。不過(guò)，如果設計要求測試或現場(chǎng)服務(wù)的話(huà)，出于安全考慮最好加上信號隔離。至少在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段使用的馬達驅動(dòng)硬件應該具有信號隔離功能。

即使從盡量減少破壞來(lái)考慮，也應該采用隔離電路。在某一具體設計中，即使沒(méi)有隔離反饋信號，也應該隔離柵極控制信號。否則，電源器件可能會(huì )損壞或短路，從而使得直流總線(xiàn)電壓通過(guò)驅動(dòng)電路耦合回來(lái)并流入邏輯器件中。

柵極驅動(dòng)器IC通常具有其它特性，包括欠壓斷電保護、插入一段死區、防止高端功率器件和低端功率器件交叉導通以及過(guò)電流自動(dòng)關(guān)機等。不過(guò)這些功能也會(huì )增加額外成本。

有多種方法可產(chǎn)生柵極驅動(dòng)電路的電源。原則上來(lái)說(shuō)，高端驅動(dòng)電路應該產(chǎn)生一個(gè)比DC總線(xiàn)電壓高出10-15V的電壓，用于輸出級電路。由于自舉電路無(wú)需浮動(dòng)電源，因此是最便宜的。如圖1所示，自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。下面的晶體管開(kāi)通時(shí)將高端晶體管的源極電壓拉到0 V，只有此時(shí)電路才對電容器充電。電容器必須儲備足夠的電荷，以便在上端的晶體管處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)維持所需的柵極電壓。由于帶有電容器，自舉電源無(wú)法保證上面的晶體管一直開(kāi)通。當自舉電容器上的電壓下降時(shí)，高端器件便會(huì )關(guān)斷。

由自舉電路的局限性所產(chǎn)生的副作用與馬達類(lèi)型有關(guān)。對用正弦波電流驅動(dòng)的馬達而言，自舉電路會(huì )限制加在反相器上的PWM占空比。我們可以通過(guò)改變自舉電路中元件的大小來(lái)增大占空比。不過(guò)，由于BLDC和SR電動(dòng)機需要換相，因此通常不采用自舉電路。

如果高端器件的柵極驅動(dòng)必須保持連續，那么必須使用浮動(dòng)電路來(lái)產(chǎn)生比直流總線(xiàn)電壓高10 V至15 V的電壓。我們可以采用充電泵電路，它的電壓是相對高端晶體管的源極電壓而言的。另一種方法則是用一個(gè)高頻信號來(lái)調制柵極信號，這樣在柵極驅動(dòng)信號出現時(shí)，高頻信號也會(huì )出現。在圖2中，調制信號通過(guò)一只變壓器耦合到晶體管的柵極和源極，并在變壓器的次級經(jīng)過(guò)整流產(chǎn)生柵極驅動(dòng)電壓。但是，這兩種方法都會(huì )增加設計的成本。

馬達反饋信號

馬達和電源控制電路需要提供各種信號，這些信號視馬達的類(lèi)型及控制算法而定。采集一種反饋信號的方法很多。例如，許多馬達控制算法需要知道負載中的相電流。測量相電流的最簡(jiǎn)單方法是使用霍爾效應電流傳感器?；魻杺鞲衅髋c驅動(dòng)馬達的高壓電路完全隔離，它使用邏輯電路的電源，連接到MCU或者DSC中的A/D轉換器時(shí)所需元件極少，缺點(diǎn)則是成本高。

測量相電流的另一個(gè)方法是采用PWM電流傳感器IC。它測量一只與負載串聯(lián)、對電流敏感的電阻器上的電壓降。經(jīng)過(guò)設計，這些器件基于功率輸出級輸出的滿(mǎn)幅電壓上下浮動(dòng)，并采用自舉電源供電。這種傳感器的輸出是PWM信號，它的占空比與感應電阻器中的電流成正比，并有兩種方法與微控制器連接。第一種方法是采用一個(gè)RC濾波器網(wǎng)絡(luò )對PWM的輸出信號濾波，并把它轉換成模擬信號。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是，控制算法要求濾波器輸出中沒(méi)有紋波和相位誤差。此外使用濾波器也增加了設計的成本。另外一個(gè)方法是直接把PWM的輸出信號送到微控制器上的輸入采集外設引腳上(圖3)。這一外設在輸入信號處于上升沿和下降沿(或兩者)時(shí)采集數字時(shí)基信號的脈沖數，并用應用軟件進(jìn)行處理，從而計算出輸入信號的周期、頻率或者占空比。

當控制器上有“輸入采集”引腳時(shí)，我們也可以在設計中加上隔離式模擬放大器，通過(guò)數字轉換來(lái)得到相電流。用V/F或者電壓/PWM轉換器把模擬信號轉換成數字信號。模擬信號可用數字式光耦合器通過(guò)隔離電路傳到控制器。與模擬隔離方案相比，V/F轉換器+光耦合器方案成本較低。HSPACE=12 ALT="圖4：用差動(dòng)放大器來(lái)放大電阻器兩端的電壓，然后送入A/D轉換器的輸入端。">

測量相電流的第三個(gè)方法是，在電源級電路的每個(gè)低端晶體管源極串聯(lián)一只感應電阻器(圖4)，用差動(dòng)放大器來(lái)放大電阻器兩端的電壓，然后送入A/D轉換器的輸入端。在使用這個(gè)方法時(shí)，A/D轉換器必須與控制晶體管的PWM信號同步。為了得到精確的電流信號，應當在電源輸出級中的低端晶體管開(kāi)通時(shí)進(jìn)行測量。在使用分流電阻進(jìn)行測量時(shí)，內建有A/D同步邏輯電路的控制器很有用。

進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)

用傳統的仿真器來(lái)開(kāi)發(fā)馬達控制軟件比較困難。使用仿真器時(shí)，設計人員可以在任何時(shí)刻停止應用軟件的執行，以便查看寄存器值以及代碼執行情況。但是，在某些時(shí)刻停止軟件執行其實(shí)會(huì )對馬達和電源電路造成極大影響。

在停止軟件執行時(shí)，PWM 控制值不再更新，馬達和電源輸出級電路中便會(huì )出現較大的直流電流。為了解決這一問(wèn)題，應該通過(guò)仿真器將PWM信號置于不會(huì )損壞負載的狀態(tài)。例如，dsPIC30F系列PWM外設部件可在仿真器停止時(shí)將所有PWM輸出引腳設置在低電平狀態(tài)。這時(shí)所有輸出器件都關(guān)斷，馬達慢慢停下來(lái)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加入額外的硬件保護功能十分有用。這些功能可在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程出現軟件錯誤時(shí)保護硬件不受損壞，并可在正式生產(chǎn)時(shí)去除以節省成本。這些功能包括限流、總線(xiàn)電壓過(guò)載保護及在高、低端晶體管同時(shí)導通時(shí)關(guān)機。

本文小結

在選定某種控制器后，我們便要選擇相應的元件來(lái)連接控制器和電源輸出級電路。通用MCU能夠滿(mǎn)足算法需求，但是它可能不具備與馬達控制直接相連的外設部件。我們必須在接口電路中增加相應硬件，以保護輸出器件或處理反饋信號。