單芯片無刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路綜述

摘要：隨著集成度不斷提高，電子產(chǎn)品越來越小，越來越薄，散熱問題也越發(fā)突出，因此無刷直流散熱微電機(jī)被廣泛使用。根據(jù)無刷直流散熱微電機(jī)不同應(yīng)用電壓，分3部分總結(jié)了單芯片無刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路解決方案。闡述了驅(qū)動(dòng)電路涉及的軟開關(guān)控制法、電機(jī)鎖死檢測與自動(dòng)重啟、線性及開關(guān)型橋式驅(qū)動(dòng)、無定位傳感器轉(zhuǎn)子檢測法、電機(jī)軟啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速控制等技術(shù)。通過分析現(xiàn)有單芯片驅(qū)動(dòng)電路方案，展望了無刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路未來的發(fā)展方向。

1 引言

隨著先進(jìn)控制理論的應(yīng)用及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，功率驅(qū)動(dòng)組件切換頻率明顯提高，使得驅(qū)動(dòng)部件功能日益強(qiáng)大，元件越來越少，可靠性顯著提高，無刷直流電機(jī)逐漸取代了有刷直流電機(jī)的使用領(lǐng)域。尤其是隨著信息和數(shù)字化時(shí)代的到來，電子元件集成度越來越高，各種電子產(chǎn)品呈現(xiàn)出輕薄化、小型化的發(fā)展趨勢?？臻g越小，集成度越高，電子產(chǎn)品散熱問題越發(fā)突出，因此無刷直流微電機(jī)被廣泛用于電子產(chǎn)品的散熱解決方案。

在電腦中，CPU等電子元器件的發(fā)熱大多采用無刷直流微電機(jī)散熱，因此無刷直流微電機(jī)用量巨大;現(xiàn)階段盛行的LED照明，由于受限于LED發(fā)光效率，發(fā)熱問題也亟待解決，因此無刷直流散熱微電機(jī)也被用于LED照明的散熱。

2 單芯片散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案

2.1 低壓5 V驅(qū)動(dòng)電路控制方案

該類驅(qū)動(dòng)電路方案主要用在筆記本電腦、平板電腦及各種便攜式設(shè)備中，因此典型工作電壓只有5 V，最低電壓通常要求支持1.8 V。為減小印刷電路板面積，功率驅(qū)動(dòng)管多采用內(nèi)部集成實(shí)現(xiàn)。針對(duì)該應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下兩大類芯片。

2.1.1 需要定位傳感器的驅(qū)動(dòng)控制芯片

該類芯片通過對(duì)定位傳感器(在無刷直流散熱微電機(jī)中多采用霍爾效應(yīng)傳感器)給出的位置信息放大處理后控制電子換相器換相。此處以BD6966NUX為例說明，整個(gè)控制過程如圖1所示。

圖中H+和H-是定位傳感器給出的轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)運(yùn)放放大后，控制OUT1和OUT2。在運(yùn)放內(nèi)部集成了功率驅(qū)動(dòng)管，放大倍數(shù)由式(1)給出：

UOUT2-UOUT1=-R1(UH+-UH-)/R2 (1)

根據(jù)BD6966NUX規(guī)格書描述，放大倍數(shù)為44.5 dB，約為168倍，因此R1/R2=168。

圖1中當(dāng)定位傳感器信號(hào)UH+>UH-時(shí)，運(yùn)放放大后UOUT1為高電平，UOUT2為低電平，電流由OUT1流向OUT2;當(dāng)UH+

此外當(dāng)傳感器信號(hào)較弱時(shí)，由于運(yùn)放線性放大作用，輸出波形如圖2所示?；疑珔^(qū)域中傳感器信號(hào)幅度小，經(jīng)過168倍放大后在換相點(diǎn)附近驅(qū)動(dòng)能力線性增加或減少，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的軟開關(guān)換相，有效降低了電機(jī)換相噪聲。

2.1.2 三相無定位傳感器驅(qū)動(dòng)控制芯片

由于定位傳感器型驅(qū)動(dòng)芯片存在缺點(diǎn)，故此處采用無定位傳感器驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)前無定位傳感器驅(qū)動(dòng)芯片多采用三相驅(qū)動(dòng)方式，通過檢測不通電那一相線圈繞組反向電動(dòng)勢過零計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流換相時(shí)機(jī)。在LV8800，BH67172及DRV10863中都采用了上述控制方式。

圖3為上述控制方法工作原理。假設(shè)u，v兩相導(dǎo)通，w相繞組線圈浮空且無電流。導(dǎo)通u，v兩相反向電動(dòng)勢大小相等方向相反，二者之和等于零。而浮空相繞組線圈反向電動(dòng)勢ew正負(fù)變化反映了浮空相過零，因此可采用上述方法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，從而確定電機(jī)換相時(shí)機(jī)。

由于三相無定位傳感器型驅(qū)動(dòng)芯片采用開關(guān)模式而非線性放大，同時(shí)無位置傳感器，因此其軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方式與定位傳感器型驅(qū)動(dòng)芯片不同：其根據(jù)反向電動(dòng)勢過零信息通過數(shù)字電路計(jì)算出軟開關(guān)換相區(qū)域，且采用PWM模式進(jìn)行控制：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨近反向電動(dòng)勢過零點(diǎn)時(shí)，提前減小將退出驅(qū)動(dòng)相的輸出占空比;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子離開過零點(diǎn)后，逐漸增加開始驅(qū)動(dòng)相的驅(qū)動(dòng)占空比。采用上述模式換相控制后，退出驅(qū)動(dòng)相電流逐漸減少，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)相則逐漸增加。因此換相點(diǎn)附近電機(jī)換相力矩平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)低噪聲運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 電源電壓12 V驅(qū)動(dòng)電路控制方案

該類方案主要用于個(gè)人電腦及各種測試設(shè)備，驅(qū)動(dòng)功率適中，因此功率驅(qū)動(dòng)管多采用內(nèi)部集成方式實(shí)現(xiàn)。由于電源電壓從4.5～18 V變化，若仍采用低壓應(yīng)用時(shí)的線性放大模式，那么在傳感器信號(hào)幅度較低時(shí)，換相產(chǎn)生的熱量大，極易損壞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此多采用開關(guān)型橋式驅(qū)動(dòng)。代表解決方案有LB11961及EUM6861。該類方案的最大特點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線外部可調(diào)：能自由設(shè)定電機(jī)最低轉(zhuǎn)速，同時(shí)還能靈活設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線斜率。電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線控制示意圖如圖4所示。

圖5詳細(xì)分析了調(diào)速原理：當(dāng)VTH和RMI任一引腳電壓低于CPWM引腳產(chǎn)生的三角波電壓時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，此時(shí)集成的功率管驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。RMI引腳設(shè)定電機(jī)最低轉(zhuǎn)速，該引腳直流電壓與CPWM引腳三角波信號(hào)比較確保輸出有最小驅(qū)動(dòng)占空比，從而保證電機(jī)最低轉(zhuǎn)速。VTH引腳的直流電壓、CPWM三角波及RMI電壓共同控制電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線斜率。

由于該類方案驅(qū)動(dòng)電源最高達(dá)18 V，之前線性放大軟開關(guān)控制方式，在傳感器信號(hào)幅度較低時(shí)發(fā)熱大，易造成驅(qū)動(dòng)芯片損壞，因此當(dāng)傳感器信號(hào)差值小于設(shè)定值時(shí)邏輯電路直接將集成的功率橋中上端驅(qū)動(dòng)管關(guān)斷，同時(shí)開啟下端驅(qū)動(dòng)管，讓負(fù)載電機(jī)電流采用下端續(xù)流。

2.3 高壓大功率應(yīng)用解決方案

該類解決方案主要用在服務(wù)器、測試設(shè)備、工業(yè)控制及辦公設(shè)備的散熱系統(tǒng)中。通常驅(qū)動(dòng)電壓高、驅(qū)動(dòng)功率大，因此功率管多采用外置方式實(shí)現(xiàn)。代表解決方案有LB11967和LB11867。該類方案的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率大、驅(qū)動(dòng)電壓高、功率驅(qū)動(dòng)管外置、外部線路復(fù)雜。圖6以LB11 867為例來闡述該類解決方案。在該應(yīng)用線路中有幾點(diǎn)需要說明：

①應(yīng)用線路中A框線路設(shè)定電機(jī)PWM調(diào)速曲線的斜率，B框控制電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速;②電阻Rsense用于設(shè)定流過功率管的最大驅(qū)動(dòng)電流，Rse nse越大，功率驅(qū)動(dòng)管能流過的電流越小;③電阻R1，R2取值越大，外置功率管柵源電壓越大，導(dǎo)通電阻越小(不超過柵源耐壓值)，發(fā)熱越小，驅(qū)動(dòng)效率也越高;④C5設(shè)定軟啟動(dòng)時(shí)間。C5越大啟動(dòng)時(shí)間越長，啟動(dòng)瞬間電流越小。但C5不宜過大，過大時(shí)散熱電機(jī)有可能還未正常啟動(dòng)就直接進(jìn)入鎖定狀態(tài)，因此C5取值應(yīng)根據(jù)電機(jī)特性優(yōu)化。

圖7詳細(xì)分析了軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理：驅(qū)動(dòng)芯片上電或散熱電機(jī)鎖定時(shí)，S-S引腳(接C5電容)會(huì)強(qiáng)行拉高至比CPWM引腳三角波電壓高，當(dāng)鎖定保護(hù)和上電動(dòng)作完成后，S-S引腳電壓會(huì)被強(qiáng)行拉低至CPWM三角波電壓高點(diǎn)，然后釋放。由于S-S引腳外接有C5，在芯片內(nèi)部電流沉作用下緩慢放電，放電斜率由C5和S-S引腳電流沉電流(規(guī)格書上標(biāo)注為0.5μA)決定。

3 結(jié)論

隨著科技的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品呈現(xiàn)輕薄化、小型化的發(fā)展趨勢，單芯片無刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)展新方向主要有：①內(nèi)置定位傳感器驅(qū)動(dòng)電路。采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，單芯片集成定位傳感器。如能實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)，將大大減少驅(qū)動(dòng)芯片引腳，減少外圍器件，縮短系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)周期，同時(shí)還能減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板面積，有利于電機(jī)小型化和輕薄化;②單芯片精確設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)前無刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片多采用PWM方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，且多為開環(huán)控制方式。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨PWM占空比完全線性變化，因此很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制。當(dāng)前為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制需使用微控單元，這大大增加了成本，因此采用閉環(huán)PWM控制方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制必將是未來的發(fā)展方向;③低電源電壓驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)前系統(tǒng)復(fù)雜程度越來越高，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)供電電壓越來越低，因此低電壓工作如1.5 V，甚至1.2 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)是后續(xù)發(fā)展的又一方向。為實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)，除設(shè)計(jì)時(shí)采用低電壓驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)外，還需選用低閾值電壓半導(dǎo)體工藝進(jìn)行電路整合。