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TI 德州仪器

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一起来探索基础无刷栅极驱动器设计的乐趣!

2019-04-10
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有充分的理由说无刷直流电机绝对是电机驱动器中最酷的一款产品。您可以获得更高的效率、功率和扭矩,更低的噪音、电磁干扰(EMI)及振动,更长的电池及电机寿命,更快的速度,更好的产品,更多的惊喜、乐趣和朋友,更好看的外观以及无数追随者的崇拜。这份清单使无刷DC可能已经渐渐成为希望和梦想的支持者(见图1),而“结果可能会各不相同”。


图1:无刷DC:希望和梦想的支持者



无刷直流电机驱动的乐趣在于算法。您可以实现有传感器或无传感器监控、梯形或正弦控制、磁场定向控制(FOC)或换向。可选方案和烹饪鸡蛋的方法一样多——但事实上,只有十种真正称得上是独特的(其他方法只是做了一个小小的变化)。但是我们现在将要讨论“步骤零”:为电机驱动系统设计硬件。图2所示为大部分人对此现象的印象。

图2:舒适度随着电压水平和模拟内容线性下降


对于其余六个读卡器,许多无刷直流电机系统旨在追求高功率和高效率,这意味着最好的实现方式是用分立式MOSFET控制栅极驱动器的微控制器(MCU)。在您测试出最佳的速度环路算法来控制您的电机之前,您只需将MCU的智能与MOSFET的原始电流驱动能力连接即可。栅极驱动器充当MCU的逻辑域与MOSFET和电动机的功率域之间的转换器。有两种可以实现这种转换器的架构:分立式栅极驱动器和集成式栅极驱动器。有很多原因说服你任选其一。分立式驱动器提供最高的电源电压支持和最优的性能,但需要更多的组件并且缺乏保护功能。集成式驱动器为电机驱动器提供更具针对性的解决方案,但不会为您提供电压支持或分立式栅极驱动器的超高性能。除在一个芯片上使用三个分立式栅极驱动器外,像DRV8320这样的集成式驱动器还可以提供附加功能,如栅极驱动电源、感应放大器、功率器件或集成式栅极驱动无源器件。刚刚略读上述段落的读者可以看下表1。

表 1: 分立式栅极驱动器与集成式栅极驱动器

总之

无刷直流电机很酷

(可以帮您结交朋友)

没有人喜欢谈论实际的硬件

(但是我们将要这么做)

分立式和集成式栅极驱动器各有优缺点

我们可以整天谈论功能和优点,但工程师想看的是一些真正的电路。接下来我们直接比较分立式和集成式栅极驱动架构,展示两者的电路板级差异。


原理图和布局比较的两个关键指标是组件数量和解决方案尺寸。第一个度量标准是:元件数量。这在原理图完成后可以相对容易地找到。然而,解决方案尺寸的估算更加复杂。我们经常看到在集成电路元件尺寸上简单标注的解决方案尺寸。但是这其实非常不准确,因为它并未考虑外部元件、元件与电路板上的布线之间需要的间隙。


下表为无刷直流电机驱动器创建分立式和集成式栅极驱动器架构的并行原理图和布局。我们选择了TI一款分立式栅极驱动器和DRV8320作为集成式栅极驱动器。另外使用了NexFET™功率MOSFET 的标准QFN封装。虽然这种设计恰好使用标准分立式FET,但TI最近推出了两款可用于此应用的垂直集成的半桥式电源块,节省了更多的设计空间。希望这些图片对那些想要比较这两种无刷直流架构的人有所帮助。


分立式栅极驱动器

集成式栅极驱动器

原理图


二维布局


三维布局


栅极驱动器布局


面积:46.84 mm2

(重复三次)

     面积:54.54mm2

原理图


面积:47.89mm2

集成到栅极驱动器

原理图


集成电路:4

场效应管(FET):6

电阻器:20

电容器:12

二极管:6

集成电路:1

场效应管(FET):6

电阻器:2

电容器:5

二极管:0

表1:分立式栅极驱动器与集成式栅极驱动器


这个看似速效的项目注入了很多设计和想法。从上面可以猜到,创建一个没有内层的双层电路板可以简化浏览。不过,这意味着在布局上需要投入更多心思。同样,分立式栅极驱动器上的栅极驱动设置组件和集成式栅极驱动器上的IDRIVE引脚组件需要进行调整,以便从外部FET获得可接受的上升和下降次数。布局部分还有许多小的调整,以便实现两种解决方案的最小尺寸。

了解无刷直流 (BLDC) 电机驱动器,尽在阅读原文

在看你就点点我~

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