讓高集成度電機驅(qū)動更安全、環(huán)保和智能的方案

　　隨著電機驅(qū)動的發(fā)展，市場對電機驅(qū)動出現(xiàn)了新的要求--更安全（運行穩(wěn)定，故障率低）、更環(huán)保（高效率，低功耗），以及更智能（算法先進，易于使用）。以往，電機驅(qū)動采用分立分案設(shè)計，電路板包含了前置邏輯、MOSFET驅(qū)動、時鐘、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，電路板一來尺寸大，二來安全性也不高。

　　前不久，德州儀器（TI）推出了一款24V三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器DRV10983.德州儀器中國區(qū)市場開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉介紹說，現(xiàn)在很多電機應(yīng)用要求體積越來越小，要求將MCU和驅(qū)動電路（包括各種保護電路）全部集成并做到電機里，這也是電機未來的發(fā)展方向。

　　圖1：傳統(tǒng)分立式電機驅(qū)動解決方案需要超過100個晶體管、數(shù)字門電路、放大器、LDO、溫度傳感器和保險絲。

　　德州儀器電機驅(qū)動器產(chǎn)品種類豐富（包括步進電機驅(qū)動器、有刷直流電機驅(qū)動器、無刷直流電機驅(qū)動器、螺線管驅(qū)動器以及霍爾效應(yīng)傳感器IC等），有著超過15年的設(shè)計經(jīng)驗；以客戶定制的形式廣泛應(yīng)用于硬盤、光驅(qū)、噴墨打印機、數(shù)碼相機、汽車工業(yè)等行業(yè)中。德州儀器在2010年成立了電機驅(qū)動事業(yè)部（MDBU），開始進軍大眾市場。

　　信本偉指出，將電機驅(qū)動做成高集成度的解決方案，將驅(qū)動器、MOS管、保護電路、控制開關(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，整個電路的一致性非常高；3、客戶無需分立方案設(shè)計，直接用一顆IC就可以進行產(chǎn)品設(shè)計。此外，TI所有的電機驅(qū)動產(chǎn)品都提供了完全保護，包括過流/短路保護、過熱保護、欠壓閉鎖，以及擊穿保護等。

　　在保護方面，與地、電源或線圈之間的短路等情況都需要做過流保護。不同于電流調(diào)節(jié)電路，TI產(chǎn)品包括另外一個保護電路“ILIMIT”。ILIMIT是個比較復(fù)雜的硬件電路的算法。通過減小功率管的柵極電壓，其電源漏極電阻會增加，從而限制通過的電流。在這方面，TI產(chǎn)品具有約100ns的快速響應(yīng)時間。每個功率管都需要單獨的保護機制，同時需要能迅速對過流情況進行反映，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管燒掉不會保護，待第二個MOSFET燒掉時才動作為時已晚。

　　TI的電機驅(qū)動系列DRV88xx在完全短路時，回路電流能在約400內(nèi)恢復(fù)到9A，同時輸出級在約3μs后被關(guān)斷。如果稍微關(guān)慢一點，9A意味著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(xù)監(jiān)測供電電壓值，當(dāng)電壓過低時將輸出端設(shè)置成高阻抗?fàn)顟B(tài)，確保H橋能夠正常運作。擊穿保護--同一個半橋的高低側(cè)絕不允許同時打開，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，高側(cè)關(guān)斷和低側(cè)導(dǎo)通之間人為地增加一段延時（停滯時間）。停滯時間越長H橋接的運作越安全，但同時線性度和效率也越差。熱關(guān)斷--過度發(fā)熱，熱沉不足。環(huán)境溫度過高等都可能對芯片造成損害。TI芯片內(nèi)部集成了多個熱感應(yīng)器來持續(xù)監(jiān)控溫度、當(dāng)芯片溫度上升到過熱的閾值時，H橋?qū)⒈辉O(shè)置成高阻，微步進細分也將被重置。TI的部分產(chǎn)品在熱關(guān)斷之前可以先進行預(yù)判，預(yù)判溫度一般比熱關(guān)斷閾值低20℃~30℃。

　　在工藝方面，TI電機驅(qū)動的RDSON能做到100mΩ以下，而其他廠商很多都只能做到200mΩ~300mΩ。內(nèi)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(jié)省散熱片的使用。

　　在算法方面，TI有個Kilby實驗室，該實驗室里有很多專門做電機的專家，研究處理算法。DRV8818不管是在做全步步進、1/2細分、1/4細分，還是在做1/8細分的時候都非常均勻。此外，TI的步進電機驅(qū)動器擁有較同類產(chǎn)品更小的過零失真和電感放電失真，這意味著更小的轉(zhuǎn)矩紋波，更平滑的電機運轉(zhuǎn)。

　　最新的DRV10983的一個應(yīng)用是廚房用的排氣扇。以前廚房排氣扇采用交流電機設(shè)計很簡單，但是功耗很高?，F(xiàn)在市場上都在用24V的三相無傳感器電機，一是電機成本并沒有升高，二是能效控制非常好，而且可以做無極調(diào)速。同時它會提供詳細的報告，比如是否堵轉(zhuǎn)，電源是否過壓/欠壓等。

　　信本偉透露，現(xiàn)在很多風(fēng)扇類的廠商都在考慮使用這個方案。因為現(xiàn)在國家對能效比提出要求，所以未來交流轉(zhuǎn)直流一定是電機的發(fā)展趨勢。如果采用三相帶霍爾的設(shè)計會很麻煩，因此現(xiàn)在基本上廠商會選三相無霍爾的設(shè)計。同時，做三相最基本的方法是每相120°，這種方法一是穩(wěn)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(qū)，轉(zhuǎn)起來會很平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)靜音工作。此外，DRV10893內(nèi)部集成了可編程轉(zhuǎn)換配置文件、IPD、Align+Go、正向和反向啟動、可調(diào)節(jié)通信角度、同步整流、高級轉(zhuǎn)子鎖定保護等功能（圖2）。

　　圖2:24V三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器DRV10983。