適用于家電、游戲機(jī)、計(jì)算設(shè)備和汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

安森美半導(dǎo)體在電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動(dòng)器，是全球BLDC冷卻風(fēng)機(jī)和全球白家電電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動(dòng)器的最寬廣的產(chǎn)品陣容，在售產(chǎn)品達(dá)400多款，并持續(xù)改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)零缺陷和符合不斷發(fā)展的ISO標(biāo)準(zhǔn)。

安森美半導(dǎo)體利用技術(shù)專長(zhǎng)，致力于使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案提供更小尺寸、更高能效和更高系統(tǒng)可靠性，如通過(guò)集成的方案、單電源運(yùn)行、內(nèi)置系統(tǒng)保護(hù)、小封裝等實(shí)現(xiàn)更小占位，通過(guò)低導(dǎo)通電阻/飽和電壓、同步整流、軟脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)、低功耗等實(shí)現(xiàn)更高能效，通過(guò)內(nèi)置過(guò)溫、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、擊穿等系統(tǒng)保護(hù)和寬工作電壓范圍實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)可靠性。

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)知識(shí)

電機(jī)分為交流電機(jī)和直流電機(jī)兩大類，其中直流電機(jī)市場(chǎng)潛力巨大，全球目標(biāo)市場(chǎng)容量(SAM)超過(guò)10億美元，主要有步進(jìn)、有刷和無(wú)刷等類別。步進(jìn)電機(jī)易于控制位置，無(wú)需反饋，控制信號(hào)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(duì)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(shù)字通信克服這些缺點(diǎn);直流有刷電機(jī)易于驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)PWM控制驅(qū)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(yán)重的EMI等問(wèn)題，難以高速驅(qū)動(dòng); BLDC相對(duì)有更多的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)電刷，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單和強(qiáng)固，所以噪聲低，無(wú)磨損，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，且可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，成本相對(duì)較高。

按集成度的不同，有3種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案：系統(tǒng)單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門極驅(qū)動(dòng)器方案。SoC方案將DC-DC、門極驅(qū)動(dòng)器、控制器、逆變器及反饋/保護(hù)等集成到單個(gè)芯片上，集成度高，適合空間受限的應(yīng)用，簡(jiǎn)單易用;ICS方案相對(duì)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(yīng)用，靈活性較高;門極驅(qū)動(dòng)器方案則只集成DC-DC、門極驅(qū)動(dòng)器和反饋/保護(hù)，因?yàn)榭刂破骱凸β势骷荚谕獠?，所以具有最高的靈活度。

標(biāo)準(zhǔn)的BLDC方案

安森美半導(dǎo)體的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、電動(dòng)工具、打印機(jī)、冰箱、微波爐和汽車等應(yīng)用。如圖1所示，根據(jù)輸出電流和電壓范圍的不同，我們標(biāo)注出了不同的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案更適合的應(yīng)用。

圖1：安森美半導(dǎo)體廣博的BLDC電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動(dòng)器

能效標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高，同時(shí)消費(fèi)者還希望產(chǎn)品能更平穩(wěn)、低噪聲的工作。為幫助設(shè)計(jì)人員解決這些挑戰(zhàn)，安森美半導(dǎo)體推出3款180°正弦波驅(qū)動(dòng)3相BLDC電機(jī)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(jī)和計(jì)算設(shè)備，這3款器件可由單個(gè)霍爾傳感器控制，降低系統(tǒng)成本，導(dǎo)通電阻低至0.5 Ω，超前角易于調(diào)整，提供PWM軟開關(guān)和同步整流，因而可實(shí)現(xiàn)更高能效。在系統(tǒng)可靠性方面，此3款器件結(jié)合過(guò)流、過(guò)壓、欠壓和過(guò)溫等保護(hù)功能，還包括鎖定轉(zhuǎn)子保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制，集成度高，簡(jiǎn)化電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)，減少噪聲和振動(dòng)，軟啟動(dòng)和關(guān)斷功能確保持續(xù)的工作穩(wěn)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(shè)定最小PWM占空比，無(wú)需軟件因而省去軟件開發(fā)時(shí)間。

圖2：?jiǎn)位魻?80度BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器框圖及封裝外形圖

1. LV8811、LV8813和LV8814可滿足設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)人員可根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇適合的型號(hào)。這3款器件最大的不同在于占空比：LV8811的啟動(dòng)相對(duì)較復(fù)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(shè)定為從50%到25%，有助于提供啟動(dòng)時(shí)較大的扭矩。LV8811和LV8813采用集成散熱盤的TSSOP20 封裝，LV8814采用未集成散熱盤的SSOP20封裝。

2. 單霍爾方案的啟動(dòng)過(guò)程

首先，電機(jī)通過(guò)調(diào)整操作模式找到一個(gè)固定的位置，以減少由于依賴啟動(dòng)位置的啟動(dòng)故障。如果霍爾IC檢測(cè)到調(diào)整過(guò)程中的變化，會(huì)延長(zhǎng)調(diào)整操作，然后在完成調(diào)整過(guò)程后立即執(zhí)行180度驅(qū)動(dòng)。如圖3所示，首先通過(guò)霍爾IC檢測(cè)轉(zhuǎn)子的極性(N或S)，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)入目標(biāo)位置，隨后提出轉(zhuǎn)矩，開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)開關(guān)時(shí)間，最終開始正弦波驅(qū)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(duì)于其它驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)

對(duì)比3霍爾3相驅(qū)動(dòng)器、單霍爾3相驅(qū)動(dòng)器和無(wú)傳感器3相驅(qū)動(dòng)器，3霍爾驅(qū)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(qū)動(dòng)器無(wú)需霍爾元件，占板面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)偏置電流，但采用非正弦驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，可靠性和速度方面都低于霍爾類驅(qū)動(dòng);單霍爾驅(qū)動(dòng)器則是3霍爾和無(wú)傳感器方案的折中方案。

表1對(duì)比了安森美半導(dǎo)體的單霍爾驅(qū)動(dòng)方案LV8813與無(wú)傳感器BLDC驅(qū)動(dòng)方案LV8804的工作電壓范圍、最大輸出電流Io、驅(qū)動(dòng)方式、傳感器、速度控制信號(hào)、外部元件及調(diào)整元件。可以看到，LV8813在速度控制方面更靈活，所需的調(diào)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(diào)整時(shí)間1 s 后，開始以25%的占空比開始運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后轉(zhuǎn)向目標(biāo)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(qū)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(qū)動(dòng)方式，波形會(huì)有一些毛刺和不規(guī)則。

此外，我們對(duì)LV8813和LV8804進(jìn)行了能效測(cè)試。如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1,100 rpm時(shí)，LV8804 和LV8813 表現(xiàn)出差不多的能效(電機(jī)A)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到1,100 rpm以上時(shí)，LV8813 比LV8804能效更高(電機(jī)B)。

圖4：LV8804 vs. LV8813能效測(cè)試

步進(jìn)方案

安森美半導(dǎo)體也提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案，其中15 V以下的系列廣泛應(yīng)用于玩具、監(jiān)控?cái)z像、冰箱、微波爐、煤氣爐、洗衣機(jī)、舞臺(tái)燈等，24 V系列則主要集中在工業(yè)應(yīng)用，如打印機(jī)、自動(dòng)販賣機(jī)、收音機(jī)、縫紉機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等。圖5為安森美半導(dǎo)體的12 V以上和3-15 V H橋/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器陣容。

圖5：安森美半導(dǎo)體的H橋/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器陣容

汽車BLDC方案

除了傳統(tǒng)的BLDC和步進(jìn)應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體還專注于汽車BLDC應(yīng)用領(lǐng)域，如各種泵、自動(dòng)空調(diào)(HVAC)風(fēng)機(jī)、座椅風(fēng)扇、散熱器風(fēng)扇、LED大燈風(fēng)扇等，可針對(duì)不同的功率級(jí)別提供相應(yīng)的BLDC方案。如適用于油泵、水泵、散熱器風(fēng)扇、HVAC等應(yīng)用的無(wú)傳感器150度3相BLDC 預(yù)驅(qū)動(dòng)器LV8907，內(nèi)置門極驅(qū)動(dòng)、LIN收發(fā)器和低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，將占板面積減至最小，配合外部功率MOSFET可實(shí)現(xiàn)不同的功率等級(jí)輸出。該器件通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證，結(jié)溫最高達(dá)175 ⁰C，無(wú)需軟件，集成逐周期限流、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等豐富的保護(hù)特性，可靠性極高。此外，LV8907可靈活地通過(guò)OTP設(shè)置實(shí)現(xiàn)單獨(dú)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(jié)

安森美半導(dǎo)體擁有強(qiáng)大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及成熟的電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，寬廣的產(chǎn)品線覆蓋BLDC、步進(jìn)電機(jī)和汽車等應(yīng)用領(lǐng)域，并配合市場(chǎng)和設(shè)計(jì)人員的需求不斷創(chuàng)新，其最新的單霍爾180度BLDC驅(qū)動(dòng)系列LV881X，通過(guò)180°正弦驅(qū)動(dòng)提升電機(jī)系統(tǒng)能效及減小噪聲，并省去軟件開發(fā)，節(jié)省開發(fā)時(shí)間和工作量，為冰箱的散熱風(fēng)扇及游戲機(jī)和計(jì)算設(shè)備等驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供理想的方案。