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選擇合適的集成度來(lái)滿足電機(jī)設(shè)計(jì)要求
發(fā)布時(shí)間：2023-06-20 18:38:43 瀏覽：1003次
這篇文章是我們運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)文章系列的第三篇（第一篇 |第二篇）。
如果您正在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，以往您可能會(huì)使用如雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 等多個(gè)分立式元件來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。盡管這種方法通常成本更低，但使用的元件總數(shù)更多，占用的布板空間更大，花費(fèi)的設(shè)計(jì)時(shí)間更長(zhǎng)，復(fù)雜度也更高。使用多個(gè)元件還可能會(huì)影響系統(tǒng)可靠性。
隨著應(yīng)用的復(fù)雜度增加、功率提高、占用空間減小，集成變得至關(guān)重要。集成解決方案可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、簡(jiǎn)化采購(gòu)流程以及節(jié)省成本，同時(shí)還可以確保電機(jī)系統(tǒng)更加可靠和高效。
在本文中，我將對(duì)不同的電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較，包括分立式和完全集成式選項(xiàng)，從而幫助您找到適合您設(shè)計(jì)的方法。表 1 比較了各種電機(jī)控制選項(xiàng)的集成度。
| 控制 | 驅(qū)動(dòng)器 | FET |
分立式 BJT |
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柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) |
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電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC |
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集成控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC | ü | ü |
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集成控制、柵極驅(qū)動(dòng)器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) IC | ü | ü | ü |
表 1：用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的集成度
采用分立式方法進(jìn)行電機(jī)控制
圖 1 展示了控制單元（如微控制器 (MCU)）處理電機(jī)狀態(tài)的反饋，并發(fā)送信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩、位置和速度。柵極驅(qū)動(dòng)器將來(lái)自 MCU 的信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。
圖 1：基本電機(jī)控制方框圖
您可以使用 BJT 圖騰柱/推挽電路作為柵極驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè) MOSFET，如圖 2 所示。盡管此方法成本很低且易于實(shí)現(xiàn)，但 BJT 圖騰柱電路所需的外部元件數(shù)量較多且占用的布板空間較大。此外，您必須復(fù)制此分立式電路，因?yàn)槟枰鄠€(gè) MOSFET 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，致使所需的元件數(shù)量和布板空間成倍增加。
圖 2：采用分立式 BJT 圖騰柱/推挽電路實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器方框圖
第一個(gè)集成選項(xiàng)：柵極驅(qū)動(dòng)器 IC
基本柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 將圖騰柱的功能集成到單個(gè)封裝內(nèi)。最近的工藝技術(shù)不斷創(chuàng)新，使得柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 與分立式 BJT 一樣實(shí)惠。
在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 時(shí)需要考慮幾個(gè)注意事項(xiàng)，例如通道數(shù)以及最適合電機(jī)功率級(jí)別的電壓和電流能力，如圖 3 所示。
集成式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 包括：
? 單通道柵極驅(qū)動(dòng)器（如德州儀器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)高壓 (>700V) 電源開(kāi)關(guān)（如絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流電機(jī)。
? 雙通道半橋柵極驅(qū)動(dòng)器（如 UCC27712），用于驅(qū)動(dòng) IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 電機(jī)
? 四通道 H 橋驅(qū)動(dòng)器和六通道三相電機(jī)柵極驅(qū)動(dòng)器（如 DRV8329），專(zhuān)為低壓 MOSFET (<60V) 直流電機(jī)設(shè)計(jì)
隨著電機(jī)功率級(jí)別的變化，使用柵極驅(qū)動(dòng)器可以保持以前的設(shè)計(jì)，同時(shí)只改變外部 FET 以適應(yīng)新的電壓和電流電平。
圖 3：驅(qū)動(dòng)外部 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 類(lèi)型
柵極驅(qū)動(dòng)器涵蓋具備基本功能（如防止跨導(dǎo)的欠壓鎖定和聯(lián)鎖保護(hù)）的驅(qū)動(dòng)器，以及具備高級(jí)功能（如用于壓擺率控制和自動(dòng)死區(qū)控制的智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)）的驅(qū)動(dòng)器。了解有關(guān)這些柵極驅(qū)動(dòng)器的更多信息，請(qǐng)參閱“了解智能柵極驅(qū)動(dòng)”應(yīng)用手冊(cè)。
傳統(tǒng)上而言，由以下外部元件設(shè)置壓擺率：兩個(gè)源極和漏極電阻器（用于限制 MOSFET 柵極的電流）、一個(gè)二極管（用于單獨(dú)調(diào)節(jié)上升和下降速率），以及一個(gè)下拉電阻器。借助智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以不再使用這些元件，而且可通過(guò)串行外設(shè)接口靈活調(diào)節(jié)壓擺率。
六通道驅(qū)動(dòng)器采用智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，無(wú)需使用多達(dá) 24 個(gè)分立式元件，節(jié)省了布板空間，也減少了物料清單 (BOM) 數(shù)量。柵極驅(qū)動(dòng)器還集成了其他保護(hù)和診斷功能，包括電流檢測(cè)、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)、故障檢測(cè)甚至隔離功能，這進(jìn)一步減少了元件數(shù)量。
第二個(gè)集成選項(xiàng)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 包括柵極驅(qū)動(dòng)器和集成 FET，非常適合低功率電機(jī)系統(tǒng) (<70W)，如圖 4 所示。與柵極驅(qū)動(dòng)器相比，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的占用空間更??；集成了 FET 功率級(jí)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)原理圖和布局。與柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 一樣，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC（如 DRV8962）也集成了保護(hù)和診斷功能。
圖 4：具有集成 FET 的 H 橋和三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
在選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)，務(wù)必要考慮內(nèi)部 FET 的 RDS(ON)、峰值電流和均方根電流。考慮到內(nèi)部 FET 的功率耗散，還需要執(zhí)行熱計(jì)算。
第三個(gè)集成選項(xiàng)：集成控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC
與前兩個(gè)選項(xiàng)不同，集成控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC（如 MCT8329A）無(wú)需 MCU 即可進(jìn)行電機(jī)控制。這些 IC 仍然具有具備保護(hù)和診斷功能的柵極驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)納入了控制算法而無(wú)需 MCU 輔助，如圖 5 所示。
電機(jī)換向算法的實(shí)現(xiàn)可能很復(fù)雜，無(wú)論是梯形控制、正弦控制還是磁場(chǎng)定向控制。集成控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 提供了一種無(wú)代碼解決方案，可在內(nèi)部處理?yè)Q向算法，從而幫助您縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，簡(jiǎn)化編碼、調(diào)試和測(cè)試的復(fù)雜性。
圖 5：集成控制三相柵極驅(qū)動(dòng)器
借助集成控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，通過(guò)傳感器控制或無(wú)傳感器控制可靈活實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向。采用傳感器控制方法，可以使用外部霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置；這些 IC 可以采用霍爾效應(yīng)傳感器輸入，并利用電機(jī)控制算法來(lái)安靜高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。相比之下，采用無(wú)傳感器控制實(shí)現(xiàn)方法，無(wú)需使用外部霍爾效應(yīng)傳感器，從而減少了布板空間和 BOM。如果選擇無(wú)傳感器集成控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，則需要通過(guò)集成電流檢測(cè)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)（反 EMF）電壓，并在內(nèi)部計(jì)算電機(jī)位置。
第四個(gè)集成選項(xiàng)：集成控制、柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET IC
最后一個(gè)集成選項(xiàng)通常稱(chēng)為“完全集成”，如圖 6 所示。集成控制、柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET IC（如 MCF8315A）將無(wú)代碼控制功能、具有保護(hù)和診斷功能的驅(qū)動(dòng)器以及 FET 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，因此占用的布板空間更小、BOM 更少。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 選項(xiàng)類(lèi)似，集成控制、柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET IC 解決方案受到內(nèi)部 FET 的功能限制，因此需要進(jìn)行電流和熱計(jì)算。
圖 6：完全集成 - 電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)器和 FET
結(jié)語(yǔ)
這些不同級(jí)別的 IC 不僅可滿足電機(jī)的功率級(jí)別要求，還可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、節(jié)省成本和降低復(fù)雜性。集成器件還可以解決家用電器中的可聞噪聲以及工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)中的高精度控制等難題。
關(guān)于德州儀器（TI）
德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷(xiāo)售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。
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