作者：Doctor M
作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，電機(jī)種類豐富、用途廣泛，在工業(yè)、汽車、農(nóng)業(yè)、辦公、家電等場景中隨處可見。以新能源汽車電控系統(tǒng)中采用的電機(jī)為例，便會(huì)涉及到直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)四大類。
自1831年英國物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第發(fā)明真正意義上的第一臺(tái)電機(jī)，至今已有近200年的歷史，電機(jī)行業(yè)的重心也由直流有刷電機(jī)和交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)移到永磁同步電機(jī)和直流無刷電機(jī)。憑借高效、高功率因數(shù)、高可靠性、溫升低、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括航空航天、石油冶金、工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域；直流無刷電機(jī)則具有效率高、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等突出優(yōu)勢(shì)，在家用電器、辦公設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域形成規(guī)模應(yīng)用，并具有很大的市場潛力等待大家深入挖掘。
技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)市場向前高速發(fā)展，根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Grand View Research的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年全球電機(jī)市場銷售規(guī)模已經(jīng)達(dá)到1505億美元，從2020年至2027年全球電機(jī)市場銷售規(guī)模有望以6.4%的年復(fù)合增長率繼續(xù)攀升，到2027年達(dá)到2325億美元。
圖1：全球電機(jī)市場銷售規(guī)模 數(shù)據(jù)來源：Grand View Research
對(duì)于電機(jī)應(yīng)用而言，除了需要挑選適合的電機(jī)類型，驅(qū)動(dòng)控制電路同樣很重要，一般由主處理器、增量型編碼器和驅(qū)動(dòng)芯片組成，是電機(jī)提升能效的關(guān)鍵所在，技術(shù)和產(chǎn)品的先進(jìn)程度與節(jié)能減排水平直接掛鉤。因此，如果能找到一款合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，便能夠在開發(fā)效率、系統(tǒng)能效、集成度和可靠性等多方面助力電機(jī)方案的設(shè)計(jì)。
話不多說，我們來看看貿(mào)澤電子為電機(jī)開發(fā)人員精心準(zhǔn)備的大禮包——八款主流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片大盤點(diǎn)，這些來自知名廠商的創(chuàng)新電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，不僅類型豐富且各具優(yōu)勢(shì)，是設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)應(yīng)用的優(yōu)中之選。
ToshibaTB9058FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
TB9058FNG是符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的汽車直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能夠測量當(dāng)前電機(jī)位置，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并確保旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置。
圖2：TB9058FNG (圖源：Toshiba)
圖3是該驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部框圖，該驅(qū)動(dòng)器基于本地互連網(wǎng) (LIN) 1.3協(xié)議規(guī)范，能夠以19200bps / 9600bps / 4800bps / 2400bps通訊速率與LIN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，最多可連接16個(gè)設(shè)備作為單個(gè)總線上的從設(shè)備。
圖3：TB9058FNG內(nèi)部框圖 (圖源：Toshiba)
TB9058FNG的工作電源電壓范圍為7V至18V，待機(jī)電流消耗≤10μA，當(dāng)器件喚醒前，考慮到振蕩穩(wěn)定所需的時(shí)間，預(yù)計(jì)將至少需要等待10ms才能開始接收數(shù)據(jù)。
該驅(qū)動(dòng)器擁有出色的保護(hù)功能，包括增強(qiáng)的校驗(yàn)功能，±1.5A驅(qū)動(dòng)器短路保護(hù)，以及過溫過壓保護(hù)電路等。
MC33HB2000AES是SMARTMOS單片半橋IC，是采用ISO 26262流程設(shè)計(jì)的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，符合AEC-Q100 1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足嚴(yán)格要求的汽車應(yīng)用需求，包括電子節(jié)氣門控制，廢氣再循環(huán)（EGR）控制 ，渦輪、漩渦和旋轉(zhuǎn)以及廢物擋板控制，電動(dòng)泵、電機(jī)控制和配件。
圖4：MC33HB2000AES (圖源：NXP)
MC33HB2000AES工作電壓范圍為5V至28V，能夠控制峰值電流大于10A的電感負(fù)載，標(biāo)稱連續(xù)平均負(fù)載電流為3A，通過誤差小于5%的電流鏡輸出信號(hào)提供高精度的實(shí)時(shí)電流反饋。
圖5是這款電源IC的功能框圖。此驅(qū)動(dòng)器提供了通過由低RDS (on) N溝道MOSFET和集成控制電路組成的單片H橋，高效驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正向和反向軸旋轉(zhuǎn)的方法。H橋的開關(guān)動(dòng)作可以進(jìn)行脈寬調(diào)制以獲得扭矩和速度控制，從0.25V/μs到16V/μs分八步選擇，讓用戶可以靈活地滿足EMI要求并最大限度地減少開關(guān)損耗。輸出包括配置為標(biāo)準(zhǔn)H橋的四個(gè)功率MOSFET，由IN1和IN2輸入控制。
圖5：MC33HB2000AES功能框圖 (圖源：NXP)
MC33HB2000AES提供多項(xiàng)安全和保護(hù)功能，包括電荷泵欠壓、過壓和VPWR欠壓，接地短路和VPWR短路 (每路輸出) ，開路負(fù)載、溫度警告和過熱關(guān)斷。同時(shí)，該電源IC具有很好的可擴(kuò)展性，SPI可編程電流限制和壓擺率允許為各種電機(jī)尺寸使用相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
ADI電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MAX22203
MAX22203是一款65V、3.8A雙通道有刷或單通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)有刷直流電機(jī)或單個(gè)步進(jìn)電機(jī)。該器件內(nèi)設(shè)有兩個(gè)H橋，最大工作電壓為65V。每個(gè)H橋均可單獨(dú)控制，具有0.3Ω的極低典型RON（高側(cè)+低側(cè)），從而實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)效率，降低發(fā)熱量。
圖6：MAX22203 (圖源：ADI)
該器件的一大亮點(diǎn)是橋式輸出電流由非耗散型電流檢測電路 (ICs) 進(jìn)行檢測，與可配置閾值電流 (ITRIP) 相比，無需通常需要的外部功率電阻器。通過將外部電阻器連接到REFA和REFB引腳，ITRIP閾值可獨(dú)立設(shè)置為兩個(gè)全橋。
諸多保護(hù)特性是MAX22203的另一大亮點(diǎn)，包括過流保護(hù) (OCP) 、熱關(guān)斷 (TSD) 和欠壓閉鎖 (UVLO) 。每當(dāng)檢測到故障狀態(tài)時(shí)，便激活開漏低電平有效nFAULT引腳。在熱關(guān)斷和欠壓閉鎖期間，驅(qū)動(dòng)器處于三態(tài)，直至恢復(fù)正常工作。
此外，MAX22203集成電流驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié) (CDR) ，電流檢測外部控制器可出于各種原因使用CDR引腳，如下圖7展示了當(dāng)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)且DIN2保持在高電平 (情況A) 或DIN2切換時(shí) (情況B和C) ，CDR功能的具體行為。比如，引腳占空比可用于檢測停頓條件。
圖7：MAX22203的CDR行為 (圖源：ADI)
MAX22203可用于有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電磁驅(qū)動(dòng)器、鎖存閥
英飛凌IM818-LCC智能功率模塊
IM818LCCXKMA1是一款全隔離雙列直插式CIPOS Maxi 1200V、15A三相智能電源模塊，采用DIP 36x23D封裝，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供全功能的緊湊型逆變器解決方案，可用于控制變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的三相交流電機(jī)和永磁電機(jī)，包括工業(yè)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)扇和泵、HVAC室外風(fēng)扇、有源濾波器等。
圖8：IM818LCCXKMA1 (圖源：英飛凌)
IM818LCCXKMA1基于1200V TRENCHSTOP IGBT技術(shù)打造，顯著提高了器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，這種IGBT技術(shù)與器件內(nèi)部的軟恢復(fù)發(fā)射極控制二極管一起降低了導(dǎo)通損耗，給系統(tǒng)效率帶來明顯提升。
CIPOS Maxi IPM設(shè)計(jì)讓IM818LCCXKMA1堪稱高性能和高性價(jià)比之選，集成了各種電源和控制組件，以提高可靠性、優(yōu)化PCB尺寸和系統(tǒng)成本。當(dāng)工程師朋友的設(shè)計(jì)方案格外重視功率密度時(shí)，IM818LCCXKMA1無疑是理想的選擇，CIPOS Maxi IPM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1200V IPM級(jí)別的超小封裝，能夠在模塊和系統(tǒng)方面提升功率密度，在尺寸和性能方面都不妥協(xié)。
IM818LCCXKMA1提供出色的保護(hù)能力，包括過流關(guān)斷、相電流監(jiān)控、溫度監(jiān)控和欠壓閉鎖功能等，再結(jié)合DCB基板出色的熱性能，特別適合用于需要良好散熱性能和電氣隔離、較強(qiáng)EMI控制能力以及過載保護(hù)的電源應(yīng)用。在此重點(diǎn)解讀一下過流關(guān)斷和欠壓閉鎖功能。
IM818LCCXKMA1具有SCSOA (短路安全工作區(qū)) 性能，如圖9所示，如短路時(shí)間小于16.0μs，IGBT就有安全關(guān)斷的能力。在這種情況下，IGBT可以在17.5V的控制電源電壓下關(guān)閉峰值約為46.8A的SC電流 (非重復(fù)) 。
圖9：IM818LCCXKMA1的SCSOA性能 (圖源：英飛凌)
IM818LCCXKMA1通過掩埋氧化硅層提供堅(jiān)固型1200V SOI柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，并可以防止相鄰器件之間的泄漏或閉鎖電流，防止閂鎖效應(yīng)，從而提高魯棒性。這種適用于6個(gè)開關(guān)的保護(hù)技術(shù)能夠在欠壓鎖定或過壓等故障情況下關(guān)閉所有6個(gè)開關(guān)。
此外，如圖10所示，IM818LCCXKMA1集成IGBT、二極管、柵極驅(qū)動(dòng)器IC和熱敏電阻，并通過超緊湊的占地面積，適用于空間受限的工業(yè)應(yīng)用。
圖10：IM818LCCXKMA1的PCB特征 (圖源：英飛凌)
安森美 (onsemi) NCD57084隔離式IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器
NCD57084是一款高電流單通道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，具有2.5kVrms內(nèi)部電流隔離，專為高功率應(yīng)用中的高系統(tǒng)效率和可靠性而設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器在窄體SOIC8封裝中包括具有軟關(guān)斷和故障報(bào)告功能的電流檢測功能。
圖11：NCD57084 (圖源：安森美)
NCD57084具有低輸出阻抗，用于增強(qiáng)型IGBT驅(qū)動(dòng)，提供3.3V至20.0V寬輸入偏置電壓范圍和信號(hào)電平，以及高達(dá)30.0V寬輸出偏置電壓范圍，支持+7A/-7A高峰值輸出電流。通過圖12能夠看出，該器件傳播延遲時(shí)間短，可以做到精準(zhǔn)匹配。UVLO閾值小，能夠?qū)崿F(xiàn)偏置靈活性。
圖12：NCD57084傳播延遲、上升和下降時(shí)間 (圖源：安森美)
NCD57084設(shè)計(jì)用于在大功率應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率和可靠性，擁有多項(xiàng)保護(hù)機(jī)制，包括短路期間的IGBT柵極鉗位、IGBT過流時(shí)軟關(guān)閉、2.5kVrms電流隔離、高瞬態(tài)抗擾度、高電磁抗擾度等，可用于電機(jī)控制、不間斷電源 (UPS) 、工業(yè)電源、暖通空調(diào)、工業(yè)用泵和風(fēng)扇等領(lǐng)域。
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Microchip PIC32CM MC00電機(jī)控制MCU
PIC32CM1216MC00048-I/U5B是一款基于Arm Cortex-M0+內(nèi)核打造的電機(jī)控制微控制器（MCU），運(yùn)行頻率高達(dá)48MHz，具有單周期硬件乘法器和MPU，提供128KB閃存、16KB SRAM主內(nèi)存和4KB閃存（用于數(shù)據(jù)閃存）。
圖13：PIC32CM1216MC00048-I/U5B (圖源：Microchip)
圖14是該MCU的功率域概覽，提供48MHz至96MHz小數(shù)數(shù)字鎖相環(huán)（FDPLL）、上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）等功能。此外，還搭載包括一個(gè)16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SDADC）、兩個(gè)12位1Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、一個(gè)10位350ksps數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及兩個(gè)模擬比較器（AC）等高級(jí)模塊。
圖14：PIC32CM1216MC00048-I/U5B功率域概覽 (圖源：Microchip)
在電機(jī)控制方面，該MCU提供兩個(gè)24位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (TCC) ，擴(kuò)展功能包括：
· 多達(dá)4個(gè)比較通道，帶可選互補(bǔ)輸出；
· 在端口引腳上生成同步脈寬調(diào)制 (PWM) 模式；
· 確定性故障保護(hù)、快速衰減和互補(bǔ)輸出之間可配置的死區(qū)時(shí)間；
· 可以提高分辨率 (高達(dá)5位) 并減少量化誤差的抖動(dòng)；
· 多達(dá)8個(gè)波形輸出通道。
TI三相柵極驅(qū)動(dòng)器DRV8300NIPWR
DRV8300NIPWR是100V三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器均可驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)N通道功率MOSFET，使用集成式自舉二極管和外部電容器為高側(cè)MOSFET生成正確的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。應(yīng)用領(lǐng)域包括電動(dòng)自行車，電動(dòng)踏板車和電動(dòng)交通，風(fēng)扇、泵和伺服驅(qū)動(dòng)器，無刷直流 (BLDC) 電機(jī)模塊和PMSM，無繩真空吸塵器，以及無人機(jī)、機(jī)器人和RC玩具等。
圖15：DRV8300NIPWR (圖源：TI)
在如圖16所示的DRV8300NIPWR簡化原理圖中，GVDD用于為低側(cè)MOSFET生成柵極驅(qū)動(dòng)電壓，柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)支持峰值高達(dá)750mA的拉電流和1.5A的灌電流；支持反相和同相INLx輸入；相位引腳SHx能夠承受最高-22V的負(fù)瞬態(tài)電壓；BSTx和GHx能夠支持更高的正電壓瞬變 (115V) 絕對(duì)最大電壓，從而提高系統(tǒng)的魯棒性；通過GVDD和BST欠壓鎖定為低側(cè)和高側(cè)提供欠壓保護(hù)；通過DT引腳可調(diào)死區(qū)時(shí)間，用于QFN封裝型號(hào)。
圖16：DRV8300NIPWR簡化原理圖 (圖源：TI)
此外，DRV8300NIPWR較小傳播延遲和延遲匹配性能可大大降低死區(qū)時(shí)間要求，進(jìn)一步提高了效率。
ST電機(jī)控制器STSPIN32G4
STSPIN32G4是一款帶STM32G4 MCU的電機(jī)控制器，用于驅(qū)動(dòng)三相無刷電機(jī)。該器件具有高度集成、靈活的產(chǎn)品特性，嵌入三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，電流能力為1A（拉電流和灌電流）；嵌入三個(gè)自舉二極管；嵌入可編程降壓穩(wěn)壓器，具有嵌入式功率MOSFET，可從電機(jī)電源電壓VM開始為柵極驅(qū)動(dòng)器生成電源電壓；自帶集成式MCU（STM32G431VBx3），工作頻率高達(dá)170MHz；MCU內(nèi)部還集成高速存儲(chǔ)器（128kB閃存和32kB SRAM），以及具有多種保護(hù)機(jī)制和多達(dá)40引腳可用GPIO。
圖17：STSPIN32G4 (圖源：ST)
因此，該器件可明顯減少PCB面積和總體物料清單。得益于嵌入式靈活電源管理功能，該器件可自供電，可以從電機(jī)電源電壓VM產(chǎn)生所需的所有電源，這是唯一從外部提供的電源。
自帶STM32G4 MCU是該電機(jī)控制器一大亮點(diǎn)，顯著降低了電機(jī)應(yīng)用的開發(fā)難度，并賦予方案智能化能力。這款MCU具有豐富、特定的功能，因此是高級(jí)電機(jī)控制應(yīng)用的主流選擇。同時(shí)，該處理器具有單精度浮點(diǎn)單元 (FPU) 、全套DSP (數(shù)字信號(hào)處理) 指令和內(nèi)存保護(hù)單元 (MPU) ，支持運(yùn)行性能非常卓越的電機(jī)控制算法，即使在極具挑戰(zhàn)性的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，也能在合適控制選擇方面提供出色的靈活性。
在保護(hù)功能方面，STSPIN32G4得益于集成聯(lián)鎖功能，不能同時(shí)驅(qū)動(dòng)相同半橋的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)。另一個(gè)保護(hù)功能是硬件VDS監(jiān)控電路，可連續(xù)監(jiān)控六個(gè)外部MOSFET中的每一個(gè)。當(dāng)在其中一個(gè)上檢測到過壓時(shí)，它會(huì)關(guān)閉所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出。過壓閾值通過專用的SCREF引腳設(shè)置。
出色的性能讓STSPIN32G4可以廣泛用于工業(yè)和家庭自動(dòng)化，伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)自行車，服務(wù)和自動(dòng)化機(jī)器人，泵和風(fēng)扇，以及無人機(jī)和航模等豐富場景。
如果工程師朋友對(duì)這顆器件感興趣，也可以通過ST提供的EVSPIN32G4演示板進(jìn)行深入了解，貿(mào)澤電子上的制造商編號(hào)為EVSPIN32G4。
圖18：EVSPIN32G4演示板 (圖源：ST)
該演示板包括STSPIN32G4系統(tǒng)和STL110N10F7功率MOSFET。得益于集成的穩(wěn)壓器，柵極驅(qū)動(dòng)器和控制邏輯電源均可從電機(jī)電源開始生成，無需專用電路，能夠便捷全面地了解STSPIN32G4這款MCU。
豐富的接口資源是EVSPIN32G4演示板的一大優(yōu)勢(shì)，擁有多達(dá)40個(gè)GPIO。同時(shí)，為了更好地適配算法，該板可配置為三分流或單分流結(jié)構(gòu)，支持無傳感器和基于傳感器的控制算法。
總結(jié)
上述八款電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可謂是各有所長，無論是面向產(chǎn)品迭代迅速的消費(fèi)電子領(lǐng)域，還是使用條件極其復(fù)雜的工業(yè)領(lǐng)域，或者是對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求更嚴(yán)苛的汽車領(lǐng)域，都能夠找到適合的方案，幫助快速打造具有市場競爭力的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。 |
