选择合适的集成度来满足电机设计要求
发布日期:2023-06-20
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这篇文章是我们运动控制技术文章系列的第三篇（第一篇 |第二篇）。
如果您正在设计电机驱动应用，以往您可能会使用如双极结型晶体管 (BJT) 等多个分立式元件来实现电机控制。尽管这种方法通常成本更低，但使用的元件总数更多，占用的布板空间更大，花费的设计时间更长，复杂度也更高。使用多个元件还可能会影响系统可靠性。
随着应用的复杂度增加、功率提高、占用空间减�。杀涞弥凉刂匾�。集成解决方案可以缩短设计时间、简化采购流程以及节省成本，同时还可以确保电机系统更加可靠和高效。
在本文中，我将对不同的电机控制实现方案进行比较，包括分立式和完全集成式选项，从而帮助您找到适合您设计的方法。表 1 比较了各种电机控制选项的集成度。
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控制 |
驱动器 |
FET |
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分立式 BJT |
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栅极驱动器集成电路 (IC) |
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电机驱动器 IC |
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集成控制栅极驱动器 IC |
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集成控制、栅极驱动器和场效应晶体管 (FET) IC |
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表 1：用于驱动电机的集成度
采用分立式方法进行电机控制
图 1 展示了控制单元（如微控制器 (MCU)）处理电机状态的反�。⒎⑺托藕爬吹鹘诘缁呐ぞ�、位置和速度。栅极驱动器将来自 MCU 的信号放大，以驱动电机的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。
图 1：基本电机控制方框图
您可以使用 BJT 图腾柱/推挽电路作为栅极驱动电路来驱动单个 MOSFET，如图 2 所示。尽管此方法成本很低且易于实现，但 BJT 图腾柱电路所需的外部元件数量较多且占用的布板空间较大。此外，您必须复制此分立式电路，因为您需要多个 MOSFET 来驱动电机，致使所需的元件数量和布板空间成倍增加。
图 2：采用分立式 BJT 图腾柱/推挽电路实现栅极驱动器方框图
第一个集成选项：栅极驱动器 IC
基本栅极驱动器 IC 将图腾柱的功能集成到单个封装内。最近的工艺技术不断创新，使得栅极驱动器 IC 与分立式 BJT 一样实惠。
在选择栅极驱动器 IC 时需要考虑几个注意事项，例如通道数以及最适合电机功率级别的电压和电流能力，如图 3 所示。
集成式栅极驱动器 IC 包括：
• 单通道栅极驱动器（如德州仪器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驱动高侧和低侧高压 (>700V) 电源开关（如绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流电机。
• 双通道半桥栅极驱动器（如 UCC27712），用于驱动 IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 电机
• 四通道 H 桥驱动器和六通道三相电机栅极驱动器（如 DRV8329），专为低压 MOSFET (<60V) 直流电机设计
随着电机功率级别的变化，使用栅极驱动器可以保持以前的设计，同时只改变外部 FET 以适应新的电压和电流电平。
图 3：驱动外部 FET 的栅极驱动器 IC 类型
栅极驱动器涵盖具备基本功能（如防止跨导的欠压锁定和联锁保护）的驱动器，以及具备高级功能（如用于压摆率控制和自动死区控制的智能栅极驱动技术）的驱动器。了解有关这些栅极驱动器的更多信息，请参阅“了解智能栅极驱动”应用手册。
传统上而言，由以下外部元件设置压摆率：两个源极和漏极电阻器（用于限制 MOSFET 栅极的电流）、一个二极管（用于单独调节上升和下降速率），以及一个下拉电阻器。借助智能栅极驱动技术，可以不再使用这些元件，而且可通过串行外设接口灵活调节压摆率。
六通道驱动器采用智能栅极驱动技术，无需使用多达 24 个分立式元件，节省了布板空间，也减少了物料清单 (BOM) 数量。栅极驱动器还集成了其他保护和诊断功能，包括电流检测、过流和过热保护、故障检测甚至隔离功能，这进一步减少了元件数量。
第二个集成选项：电机驱动器 IC
电机驱动器 IC 包括栅极驱动器和集成 FET，非常适合低功率电机系统 (<70W)，如图 4 所示。与栅极驱动器相比，电机驱动器 IC 的占用空间更�。患闪� FET 功率级，从而简化了设计原理图和布局。与栅极驱动器 IC 一样，电机驱动器 IC（如 DRV8962）也集成了保护和诊断功能。
图 4：具有集成 FET 的 H 桥和三相电机驱动器
在选择电机驱动解决方案时，务必要考虑内部 FET 的 RDS(ON)、峰值电流和均方根电流。考虑到内部 FET 的功率耗散，还需要执行热计算。
第三个集成选项：集成控制栅极驱动器 IC
与前两个选项不同，集成控制栅极驱动器 IC（如 MCT8329A）无需 MCU 即可进行电机控制。这些 IC 仍然具有具备保护和诊断功能的栅极驱动器，同时纳入了控制算法而无需 MCU 辅助，如图 5 所示。
电机换向算法的实现可能很复杂，无论是梯形控制、正弦控制还是磁场定向控制。集成控制栅极驱动器 IC 提供了一种无代码解决方案，可在内部处理换向算法，从而帮助您缩短设计时间，简化编码、调试和测试的复杂性。
图 5：集成控制三相栅极驱动器
借助集成控制栅极驱动器 IC，通过传感器控制或无传感器控制可灵活实现电机换向。采用传感器控制方法，可以使用外部霍尔效应传感器来检测转子位置；这些 IC 可以采用霍尔效应传感器输入，并利用电机控制算法来安静高效地驱动电机。相比之下，采用无传感器控制实现方法，无需使用外部霍尔效应传感器，从而减少了布板空间和 BOM。如果选择无传感器集成控制栅极驱动器 IC，则需要通过集成电流检测测量反电动势（反 EMF）电压，并在内部计算电机位置。
第四个集成选项：集成控制、栅极驱动器和 FET IC
最后一个集成选项通常称为“完全集成”，如图 6 所示。集成控制、栅极驱动器和 FET IC（如 MCF8315A）将无代码控制功能、具有保护和诊断功能的驱动器以及 FET 集成在一个芯片内，因此占用的布板空间更小、BOM 更少。与电机驱动器 IC 选项类似，集成控制、栅极驱动器和 FET IC 解决方案受到内部 FET 的功能限制，因此需要进行电流和热计算。
图 6：完全集成 - 电机控制、驱动器和 FET
结语
这些不同级别的 IC 不仅可满足电机的功率级别要求，还可以缩短设计时间、节省成本和降低复杂性。集成器件还可以解决家用电器中的可闻噪声以及工厂自动化和机器人技术中的高精度控制等难题。
关于德州仪器（TI）
德州仪器（TI）（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。
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