淺談使用MCU或DSP來設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要搭配外部的MOSFET驅(qū)動(dòng)器

三相直流無刷電機(jī)由于其可靠性高、免維護(hù)的特點(diǎn)，逐漸取代有刷電機(jī)，成為汽車風(fēng)機(jī)、水泵、油泵的首選動(dòng)力來源。在設(shè)計(jì)電機(jī)控制器時(shí)，不能直接使用通用MCU的IO引腳驅(qū)動(dòng)功率MOS，此時(shí)預(yù)驅(qū)芯片是最優(yōu)選擇。

引言

通用MCU或DSP的IO電壓通常是5V3.3V，IO的電流輸出能力在20MA以下，不足以直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP來設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，通常需要搭配外部的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，我們稱之為“預(yù)驅(qū)”。在設(shè)計(jì)汽車風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器時(shí)，使用車規(guī)MCU+車規(guī)預(yù)驅(qū)+車規(guī)N溝道功率MOSFET，可以適配不同功率、各種通信方式和各種驅(qū)動(dòng)方式?？刂破髦械墓β蔒OS驅(qū)動(dòng)

圖1 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

如圖，三相直流無刷電機(jī)（包括BLDC和PMSM）功率級(jí)驅(qū)動(dòng)電路使用6個(gè)N溝道功率MOS構(gòu)成三相全橋，分為三個(gè)連接到電源正極（VBus）的高邊MOS和三個(gè)連接到電源負(fù)極的低邊MOS?？刂破魍ㄟ^控制六個(gè)MOS的通斷，完成換相，使電機(jī)按照預(yù)期轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)而導(dǎo)致過流，因此MOS驅(qū)動(dòng)電路需要具有保護(hù)功能，以防止燒壞控制器或電機(jī)。

對(duì)于單個(gè)NMOS來說，在開通時(shí)，需要提供瞬間大電流向MOS內(nèi)的寄生電容充電，柵源電壓（VGS）達(dá)到一定閾值后，MOS才能完全開通。在MOS開通后，還需要維持合適的柵源電壓（VGS），才可以保持開通狀態(tài)。

對(duì)于低邊MOS，其源極（S）接到電源負(fù)極，柵源電壓容易滿足，驅(qū)動(dòng)較簡單。

對(duì)于高邊MOS，其源極（S）接到電機(jī)相線，其電壓是不確定的，如果需要開通，需要通過自舉電路提供柵極電壓，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜。

圖2 VGS與RDSON的關(guān)系

一般情況下，MOS的導(dǎo)通內(nèi)阻都如圖2所示，隨著VGS的增大而降低，但VGS大于10V之后，下降曲線變得平緩。為了達(dá)到最小的導(dǎo)通電阻（RDSON），VGS的取值通常為10~15V。車規(guī)預(yù)驅(qū)——MPQ6531

MPQ6531是MPS推出的一款專門用于汽車三相直流無刷電機(jī)控制器的預(yù)驅(qū)，符合AEC-Q100 Grade 1，輸入電壓為5-60V，可以滿足12V/24V汽車電氣系統(tǒng)下的需求。

圖3 MPQ6531典型應(yīng)用電路

1、集成三相預(yù)驅(qū)，體積僅4x5mmMPQ6531是高度集成的預(yù)驅(qū)，其內(nèi)部集成三個(gè)高低邊驅(qū)動(dòng)器，可以直接驅(qū)動(dòng)由6個(gè)NMOS構(gòu)成的三相全橋。采用QFN-28封裝，體積為4x5mm，僅相當(dāng)于SOP8封裝的單個(gè)高低邊驅(qū)動(dòng)大小，非常適合于有體積要求的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。

2、與MCU連接簡單，占用引腳少M(fèi)PQ6531僅有6個(gè)PWM輸入信號(hào)、1個(gè)故障輸出信號(hào)與MCU連接，占用MCU引腳非常少。如有需要低功耗控制，MPQ6531還提供了一個(gè)nSLEEP引腳，拉低該引腳，芯片可以進(jìn)入低功耗模式。在低功耗模式下，電流僅1.4μA.。其故障檢測保護(hù)、死區(qū)時(shí)間等均通過硬件設(shè)置，無需復(fù)雜的軟件控制。

3、11.5V柵極驅(qū)動(dòng)電壓MPQ6531集成了穩(wěn)壓電荷泵以產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電源（VREG），其電壓是11.5V，足以完美驅(qū)動(dòng)常用功率NMOS。低邊MOS源極（S）接到電源負(fù)極，所以VREG可以直接驅(qū)動(dòng)。對(duì)于高邊MOS，MPQ6531使用自舉電容產(chǎn)生電源電壓。在驅(qū)動(dòng)高邊MOS時(shí)，經(jīng)過自舉，其電壓是VS+VREG。同時(shí)內(nèi)部集成Trick Charger涓流充電電路，可保證在100％占空比情況下，保持足夠的高端柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。得益于芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)，即使電源電壓下降至5V，VREG仍可保持在10-12V。

4、硬件死區(qū)插入功能高邊MOS和低邊MOS同時(shí)打開會(huì)導(dǎo)致直通，燒壞MOS。所以必須保證打開與關(guān)閉存在時(shí)間上的延遲，該延時(shí)稱為死區(qū)時(shí)間。MPQ6531可以通過DT引腳來設(shè)置死區(qū)時(shí)間，達(dá)到硬件保護(hù)的目的。

5、MOS過流、短路保護(hù)功能為了保護(hù)MOS免受高電流損壞，MPQ6531中采用了VDS感應(yīng)電路。MPQ6531可以監(jiān)控每個(gè)MOS上的壓降。MOS的壓降與MOS的RDSON和流經(jīng)它的IDS電流成正比。過流檢測閾值可以通過OCREF引腳設(shè)置，如果MOS壓降超過提供給OCREF端子的電壓，則表明存在MOS過流故障。

6、母線過流保護(hù)功能MPQ6531內(nèi)置一個(gè)比較器，可以實(shí)現(xiàn)母線過流保護(hù)功能。母線電流流過采樣電阻RSense會(huì)產(chǎn)生壓降，該電壓與內(nèi)部的0.5V電壓做比較，如果超過0.5V則表明存在母線電流故障。

7、故障保護(hù)功能除了MOS過流保護(hù)和母線過流保護(hù)功能，MPQ6531還具有低壓保護(hù)、過溫保護(hù)功能。當(dāng)檢測到故障時(shí)，MPQ6531會(huì)禁用所有柵極驅(qū)動(dòng)輸出，使得所有MOS都處于關(guān)閉狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)MOS的效果。

結(jié)語

MPQ6531是一款車規(guī)級(jí)的高度集成三相預(yù)驅(qū)，專為三相直流無刷電機(jī)控制設(shè)計(jì)，適用于FOC驅(qū)動(dòng)、方波驅(qū)動(dòng)，可以有效減少BOM成本和PCB尺寸。ZLG可提供原理圖和PCB設(shè)計(jì)參考，協(xié)助廠商進(jìn)行電機(jī)控制器快速開發(fā)。
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