選擇合適的集成度來滿足電機設計要求
2023-06-14 10:49:37 德州儀器如果您正在設計電機驅動應用，以往您可能會使用如雙極結型晶體管 (BJT) 等多個分立式元件來實現電機控制。盡管這種方法通常成本更低，但使用的元件總數更多，占用的布板空間更大，花費的設計時間更長，復雜度也更高。使用多個元件還可能會影響系統可靠性。
隨著應用的復雜度增加、功率提高、占用空間減小，集成變得至關重要。集成解決方案可以縮短設計時間、簡化采購流程以及節省成本，同時還可以確保電機系統更加可靠和高效。
在本文中，我將對不同的電機控制實現方案進行比較，包括分立式和完全集成式選項，從而幫助您找到適合您設計的方法。表 1 比較了各種電機控制選項的集成度。
控制 | 驅動器 | FET | |
分立式 BJT | |||
柵極驅動器集成電路 (IC) | ü | ||
電機驅動器 IC | ü | ü | |
集成控制柵極驅動器 IC | ü | ü | |
集成控制、柵極驅動器和場效應晶體管 (FET) IC | ü | ü | ü |
表 1：用于驅動電機的集成度
采用分立式方法進行電機控制
圖 1 展示了控制單元（如微控制器 (MCU)）處理電機狀態的反饋，并發送信號來調節電機的扭矩、位置和速度。柵極驅動器將來自 MCU 的信號放大，以驅動電機的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)。
圖 1：基本電機控制方框圖
您可以使用 BJT 圖騰柱/推挽電路作為柵極驅動電路來驅動單個 MOSFET，如圖 2 所示。盡管此方法成本很低且易于實現，但 BJT 圖騰柱電路所需的外部元件數量較多且占用的布板空間較大。此外，您必須復制此分立式電路，因為您需要多個 MOSFET 來驅動電機，致使所需的元件數量和布板空間成倍增加。
圖 2：采用分立式 BJT 圖騰柱/推挽電路實現柵極驅動器方框圖
第一個集成選項：柵極驅動器 IC
基本柵極驅動器 IC 將圖騰柱的功能集成到單個封裝內。最近的工藝技術不斷創新，使得柵極驅動器 IC 與分立式 BJT 一樣實惠。
在選擇柵極驅動器 IC 時需要考慮幾個注意事項，例如通道數以及最適合電機功率級別的電壓和電流能力，如圖 3 所示。
集成式柵極驅動器 IC 包括：
· 單通道柵極驅動器（如德州儀器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驅動高側和低側高壓 (>700V) 電源開關（如絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流電機。
· 雙通道半橋柵極驅動器（如 UCC27712），用于驅動 IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 電機
· 四通道 H 橋驅動器和六通道三相電機柵極驅動器（如 DRV8329），專為低壓 MOSFET (<60V) 直流電機設計
隨著電機功率級別的變化，使用柵極驅動器可以保持以前的設計，同時只改變外部 FET 以適應新的電壓和電流電平。
圖 3：驅動外部 FET 的柵極驅動器 IC 類型
柵極驅動器涵蓋具備基本功能（如防止跨導的欠壓鎖定和聯鎖保護）的驅動器，以及具備高級功能（如用于壓擺率控制和自動死區控制的智能柵極驅動技術）的驅動器。了解有關這些柵極驅動器的更多信息，請參閱“了解智能柵極驅動”應用手冊。
傳統上而言，由以下外部元件設置壓擺率：兩個源極和漏極電阻器（用于限制 MOSFET 柵極的電流）、一個二極管（用于單獨調節上升和下降速率），以及一個下拉電阻器。借助智能柵極驅動技術，可以不再使用這些元件，而且可通過串行外設接口靈活調節壓擺率。
六通道驅動器采用智能柵極驅動技術，無需使用多達 24 個分立式元件，節省了布板空間，也減少了物料清單 (BOM) 數量。柵極驅動器還集成了其他保護和診斷功能，包括電流檢測、過流和過熱保護、故障檢測甚至隔離功能，這進一步減少了元件數量。
第二個集成選項：電機驅動器 IC
電機驅動器 IC 包括柵極驅動器和集成 FET，非常適合低功率電機系統 (<70W)，如圖 4 所示。與柵極驅動器相比，電機驅動器 IC 的占用空間更小；集成了 FET 功率級，從而簡化了設計原理圖和布局。與柵極驅動器 IC 一樣，電機驅動器 IC（如 DRV8962）也集成了保護和診斷功能。
圖 4：具有集成 FET 的 H 橋和三相電機驅動器
在選擇電機驅動解決方案時，務必要考慮內部 FET 的 RDS(ON)、峰值電流和均方根電流。考慮到內部 FET 的功率耗散，還需要執行熱計算。
第三個集成選項：集成控制柵極驅動器 IC
與前兩個選項不同，集成控制柵極驅動器 IC（如 MCT8329A）無需 MCU 即可進行電機控制。這些 IC 仍然具有具備保護和診斷功能的柵極驅動器，同時納入了控制算法而無需 MCU 輔助，如圖 5 所示。
電機換向算法的實現可能很復雜，無論是梯形控制、正弦控制還是磁場定向控制。集成控制柵極驅動器 IC 提供了一種無代碼解決方案，可在內部處理換向算法，從而幫助您縮短設計時間，簡化編碼、調試和測試的復雜性。
圖 5：集成控制三相柵極驅動器
借助集成控制柵極驅動器 IC，通過傳感器控制或無傳感器控制可靈活實現電機換向。采用傳感器控制方法，可以使用外部霍爾效應傳感器來檢測轉子位置；這些 IC 可以采用霍爾效應傳感器輸入，并利用電機控制算法來安靜高效地驅動電機。相比之下，采用無傳感器控制實現方法，無需使用外部霍爾效應傳感器，從而減少了布板空間和 BOM。如果選擇無傳感器集成控制柵極驅動器 IC，則需要通過集成電流檢測測量反電動勢（反 EMF）電壓，并在內部計算電機位置。
第四個集成選項：集成控制、柵極驅動器和 FET IC
最后一個集成選項通常稱為“完全集成”，如圖 6 所示。集成控制、柵極驅動器和 FET IC（如 MCF8315A）將無代碼控制功能、具有保護和診斷功能的驅動器以及 FET 集成在一個芯片內，因此占用的布板空間更小、BOM 更少。與電機驅動器 IC 選項類似，集成控制、柵極驅動器和 FET IC 解決方案受到內部 FET 的功能限制，因此需要進行電流和熱計算。
圖 6：完全集成 - 電機控制、驅動器和 FET
結語
這些不同級別的 IC 不僅可滿足電機的功率級別要求，還可以縮短設計時間、節省成本和降低復雜性。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化和機器人技術中的高精度控制等難題。
