小功率電機驅(qū)動方案及驅(qū)動IC的選擇分享-KIA MOS管

電機驅(qū)動作為工業(yè)中工廠自動化整個閉環(huán)中的執(zhí)行器環(huán)節(jié)，其性能好壞直接影響到整個閉環(huán)的性能。因此，工業(yè)對電機驅(qū)動提出了更高的性能和功能要求，例如更快的響應(yīng)速度、更高的帶寬、更高精度的位置和速度控制、以及更豐富的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能等。針對不同應(yīng)用場合的電機，我們應(yīng)該選擇與之相對應(yīng)的驅(qū)動方案。

簡單地來說，功率大的電機應(yīng)該選用內(nèi)阻小、電流容許大的驅(qū)動，功率小的電機就可以選用較低功率的驅(qū)動。直流小功率電機廣泛適用于家電、工控、計算機等諸多設(shè)備。

較常規(guī)的方法是采用 PWM 控制，常見的驅(qū)動有兩種方式：

1、采用集成電機驅(qū)動芯片；

2、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動芯片。

在高集成度的應(yīng)用中，傳統(tǒng)電機控制鏈路MCU + Gate Driver + MOSFET（如圖1）中已經(jīng)出現(xiàn)了MCU+ Pre-Driver集成，或是Pre-Driver+MOSFET功率模組集成的方式，甚至在一些小功率應(yīng)用中還出現(xiàn)了集成全部鏈路的情形。

而在便攜設(shè)備、IOT和5G應(yīng)用中，對電機驅(qū)動在高精度、小型化、高集成度、低功耗的要求越來越高；而自動化生產(chǎn)線則對電機驅(qū)動的高可靠性和長壽命提出了苛刻的要求。

按集成度的不同，有3種電機驅(qū)動器方案：系統(tǒng)單芯片（SoC）方案、集成的控制方案（ICS）和門極驅(qū)動器方案。

SoC方案將DC-DC、門極驅(qū)動器、控制器、逆變器及反饋/保護(hù)等集成到單個芯片上，集成度高，適合空間受限的應(yīng)用，簡單易用。

ICS方案相對于SoC方案，沒有集成逆變器，因而可通過外部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)動器方案則只集成DC-DC、門極驅(qū)動器和反饋/保護(hù)，因為控制器和功率器件都在外部，所以具有最高的靈活度。

門級驅(qū)動方案因其靈活性和傳統(tǒng)性，在非汽車市場有較多的應(yīng)用，比如應(yīng)用在風(fēng)扇、電動工具、按摩椅等小功率場合。有隔離門級驅(qū)動產(chǎn)品和非隔離門級驅(qū)動產(chǎn)品。

隔離式半橋柵極驅(qū)動器可用于許多應(yīng)用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長期可靠性至關(guān)重要的太陽能逆變器等等，不一而足。

文章內(nèi)容主要涉及非隔離式半橋驅(qū)動產(chǎn)品，如圖2為典型半橋應(yīng)用電路。

在上文提到的各類小功率應(yīng)用的電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮：

1. 電機轉(zhuǎn)動方向、速度。對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或MOS直接帶動電機即可，當(dāng)電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路，通過改變流入電機的電流方向從而改變電機轉(zhuǎn)向。

如果需要調(diào)速，可以使用三極管，MOS等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。（PWM控制通常配合橋式驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電機調(diào)速，電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α＝1 時，電機轉(zhuǎn)速最大）

2. 對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，選擇驅(qū)動IC時主要有以下性能指標(biāo)需要考慮：

1）輸出電流和耐壓，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機。

2）效率，節(jié)省電源同時減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（在需要涉及為H橋時）入手。

3）對控制輸入端的影響，是否使用隔離式驅(qū)動IC。

4）對電源的影響。

5）可靠性。在系統(tǒng)應(yīng)用中，由于門極驅(qū)動連接著邏輯控制單元與功率變換單元，門極驅(qū)動芯片的穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)的可靠性起著至關(guān)重要的作用。

因此，不同的應(yīng)用場合，采用不同的驅(qū)動方案是必要的。在小功率應(yīng)用場合，門級驅(qū)動方案應(yīng)用最廣，選取合適的門級驅(qū)動IC是極為重要的。MOSFET開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低，在電機驅(qū)動電路中占據(jù)半壁江山。要想使MOSFET在應(yīng)用中充分發(fā)揮其性能，最優(yōu)驅(qū)動電路必不可少。

在應(yīng)用中，MOSFET一般工作在如圖1所示的橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式下。由于下橋MOSFET驅(qū)動電壓的參考點為地，較容易設(shè)計驅(qū)動電路，而上橋的驅(qū)動電壓是跟隨相線電壓浮動的，因此如何很好地驅(qū)動上橋MOSFET成了設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。

相比全橋驅(qū)動，半橋驅(qū)動芯片由于其易于設(shè)計驅(qū)動電路、外圍元器件少、驅(qū)動能力強、可靠性高、靈活等優(yōu)點在MOSFET驅(qū)動電路中得到廣泛應(yīng)用。門級驅(qū)動IC的兩個主要參數(shù)：耐壓和驅(qū)動電流。

如圖所示600V耐壓，290/600mA 的驅(qū)動電流（MOSFET的柵-源極之間存在寄生電容，MOSFET的開和關(guān)過程，是對電容的充放電過程，如果MOSFET的驅(qū)動電路不能提供足夠的峰值電流（輸入/輸出電流），則會降低MOSFET的開關(guān)速度。

所以，根據(jù)不同的產(chǎn)品，來選取不同的驅(qū)動IC驅(qū)動電機至關(guān)重要），是具有高低側(cè)參考輸出通道，耐壓高、高速的MOSFET和IGBT驅(qū)動IC，邏輯輸入兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出，邏輯電壓可降至3.3 V。

輸出驅(qū)動器的特點是一個高脈沖電流緩沖級設(shè)計的最小驅(qū)動器交叉?zhèn)鲗?dǎo)。浮動通道可用于驅(qū)動n通道功率MOSFET或IGBT在高側(cè)配置，耐壓達(dá)600V，通斷時間220 ns/200 ns。而SLM2101S通斷時間為160 ns/150 ns。

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