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采用整合桥式驱动器轻松完成马达控制设计

2016-12-21 09:52:19     来源:英飞凌科技        

【大比特导读】为了快速轻松实现新一代的马达控制设计,英飞凌推出了采用高整合度 NovalithIC 驱动器的 Arduino 功率扩展板。

对许多 500W 以下的汽车及工业应用致动器来说,符合成本效益的直流有刷马达,仍是最适合的马达选择。另一方面,目前的趋势是从继电器改为使用 PWM 驱动马达,实现变速应用所需,同时提升驱动器的使用方便性及能源效率。此外,新设计更要求装置必须同时兼具安全、诊断及保护功能。现在有了 NovalithIC 系列这类的整合桥式驱动器,将半桥式驱动器与驱动器阶段、诊断、电流测量与 MOSFET 整合于同一封装,有效满足前述的各项需求。为了快速轻松实现新一代的马达控制设计,英飞凌推出了采用高整合度 NovalithIC 驱动器的 Arduino 功率扩展板。

目前的明显趋势是,车内像是 HVAC 鼓风机、引擎冷却风扇、水泵和油泵、驻车刹车、前雨刷与后雨刷等由能源效率驱动的分散式负载,必须加入智慧设计,以提供“随需能源”。多数应用固然采用的是简单且低成本的直流马达,但使用 PWM 的动态直流马达控制,却能缔造更佳的效率、舒适性及安全性。就一般的燃料泵应用来说,其所能省下的燃油,比机械式解决方案多了 1% 以上。对于功率要求更高的应用,重心则在于效率更高且更耐用的电力整流无刷直流马达。

由皮带驱动的功能及手动功能,正由电子控制马达所取代,使得汽车所仰赖的电子马达数量不断增加。IHS 的市场研究员估算,2012 年使用的电子汽车马达为 23 亿部,预计到 2017 年将增加到 29 亿部,CAGR (年复合成长率) 为 5.7%,也就是说,每一辆车内平均会有 30 部马达。目前这些马达中有 68% 为直流有刷马达,无刷直流马达的数量只占 15%,但还在持续增加。工业市场的成长率 (CAGR 6.4%) 高于这个数字。每年卖出的马达多达数十亿部,年成长率也居高不下,足见家电及消费者市场是具有高潜力的市场。直流马达的优点包括绕法简单,并使用简单的磁铁,因此马达价格较低。但由于使用电流变换器,因此体积大,而且使用寿命短。BLDC 马达虽然效率较高、体积较小且使用寿命较长,但价格却较为昂贵。

整合式桥接驱动器

许多电子驱动器仍采用简单的开/关控制,使用继电器、线性模式电晶体或分离式电子元件,而且不具诊断功能。不过,现今的新兴趋势,开始转为采用更智慧、具备诊断功能的马达控制设计,主要着眼于改善效率及舒适度。一般的马达控制设计包含电压供应、通讯介面、微控制器、控制阶段、驱动器和 MOSFET (图 1)。有多种整合概念可将功能区块结合至 IC,其中一种很有效率的方式,即是使用整合马达桥接的驱动器 (图 2)。此种解决方案的微控制器,能够执行数位控制及进阶的诊断功能。在负载侧使用整合保护功能的单片式 H 桥接器或多片式 IC (半桥和/或 H-bridge),简化了开发马达控制元件所需要的工作。在驱动器侧整合保护功能的概念,则能为许多小型的单极性和双极性驱动器带来好处。
常见马达控制设计的简化方块图

图1 : 常见马达控制设计的简化方块图

整合马达桥接,可简化开发工作并减少电路板空间
图2 : 整合马达桥接,可简化开发工作并减少电路板空间
 
方块图 (图 3) 说明了整合于单一封装内完整的低欧姆?受保护半桥。这可以用于单向的马达控制,假如将两部装置结合,也能用作 H-bridge (双向马达控制)。本文提到的英飞凌 NovalithIC 装置能够以高频的 PWM 切换,同时提供电流限值功能、欠压和过热保护。
整合马达桥接,可简化开发工作并减少电路板空间
图3 : 整合诊断及电流测量功能的 NovalithIC 方块图
 
此种概念能为电路板空间极为有限且受保护的高电流 PWM 马达驱动器提供最符合成本效益的解决方案,同时也具备下列优点:

· 非常低的高侧和低侧 MOSFET 间寄生电感

· 最佳化的 MOSFET 切换效能,降低功率耗损及 EMC 幅射量

· 透过 PWM 驱动马达,以进行扭力及转速控制

· 主动转动

· 整合电流测量

· 整合诊断与保护

· 微控制器相容的输入针脚

· 封装体积小巧且节省 PCB 空间

三合一:适合空间受限的应用

英飞凌 NovalithIC 系列内部的 3 晶片结构采用 D2Pak (TO-263-7) 封装,包含半桥驱动器、n channel MOSFET 和 p-channel MOSFET,以 chip-by-chip 和 chip-on-chip 结构排列 (图 4)。虽然一般通常需要五个晶片 (一个半桥驱动器和四个 MOSFET),但传统的 H-bridge 应用可透过两个装置予以取代,用以控制双向的有刷直流马达。如此不只减轻了黏着元件的工作,还可节省大约 30% 的空间。
打开封装露出 chip-on-chip 和 chip-by-chip 结构的 NovalithIC

图4 : 打开封装露出 chip-on-chip 和 chip-by-chip 结构的 NovalithIC
 
NovalithIC 装置将体积小巧之设计优点,引进到 250W 以上的应用内,而且不会增加冷却的负担。像是过电流保护、欠压锁定和过热保护等整合功能可大幅减轻设计工作,同时将系统成本 (BOM) 维持在低水平。

整合式驱动器 IC 能搭配逻辑位准输入运作,因此可直接由微控制器加以控制。运用最新的 p-channel MOSFET 技术,达到最佳化的切换形状,加上不需要电荷泵,因此大幅降低了 EME (电磁放射量) 和功率消耗。

减少寄生效应

在控制像是 PWM 控制的有刷直流马达等高动态系统时,常见问题之一就是干扰效应,例如像是内含电容器、高侧及低侧开关的电流变换器中的寄生杂散电感所产生的干扰。但即便是经过大量设计的最佳化配置,一部 200W 驱动器在高速 dl/dt 下都可能产生 5V 以下的负电压突波。这些寄生效应可透过整合式设计加以消除,因为整合式设计的线路长度近乎零,且在相近条件下只会产生大约 1V 以下的电压。

内建诊断与保护功能

像是电流测量等诊断功能对于高效率的马达控制来说极为重要,设计人员可按照个别的应用需求,决定要在电流测量的精准度上投入多少心力。以 NovalithIC 为例,则只要透过简单的生产线末端校正就能达到 ±10% 的准确度,温度补偿的误差甚至可降低到 ±3%。在未经使用者校正下,装置在额定输出范围及整个作业温度范围内最差的电流测量误差为+/-28%。

桥接驱动器使用额外的内部电流测量功能,侦测过电流的状况及保护装置,假如流经高侧或低侧 MOSFET 的电流达到指定的阈值,装置将切换为定义的模式,如此以在具电感负载 (马达) 下控制电流的限制。

最后,则透过保护功能,确保高可靠性。在本例中,逻辑晶片上有一个温度感测器,而逻辑晶片则直接放在 p channel MOSFET 上。一旦达到严重温度 (如 Tj > 摄氏155度),驱动器便会自动关闭,并在输出进入三态。之后假如温度下降到热迟滞标准 7K 以下,则可经由微控制器 (闩锁) 的讯号主动重新启动。

多用途:同一晶片可运用到各种马达控制应用

英飞凌的 NovalithIC 晶片符合 AECQ-100 标准,并可在最高 Tj = 150°C 的温度范围下运作,原则上适合各种汽车应用。以 BTN8982TA 为例,路径 (结合高侧与低侧 MOSFET) 可达到 RDS(on) 标准? 10mΩ,加上采用 D2PAK,具有优异的热效能,因此甚至不需提高冷却能力亦能处理超过 250W 的应用。实际的应用范例还包括所有的马达控制设计,例如有刷直流 (单向和双向),以及使用三个 NovalithIC 晶片的三相无刷马达。

其在汽车业的常见例子,则包括 HVAC 鼓风机、天窗控制器、驻车刹车、油泵 (图 5) 或电动椅。NovalithIC 同样适用于许多的工业电子应用 (图 6) 和家电,例如咖啡机、电动控制床和遮阳帘。

单向马达控制,例如可用于油泵控制以节省燃油并减少排放
图5 : 单向马达控制,例如可用于油泵控制以节省燃油并减少排放

双向马达控制,用于工业应用
图6 : 双向马达控制,用于工业应用

加快并简化设计:Arduino 专用扩展板

英飞凌科技为 Arduino 设计社群推出许多专用的扩展板,让社群能取得更多的英飞凌半导体。Arduino 采用已定义外型尺寸的微控制器板,并在开放原始码 (硬体与软体) 平台推出,让电子原型设计更为快速方便。扩展板相容于 Arduino Uno R3,并可搭配英飞凌配备 XMC1000 系列 32 位元微控制器的 XMC1100 启动套件运作。所有的 XMC1000 产品均使用 ARMR CortexR-M0 处理器。

Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 NovalithIC BTN8982TA) (图 7) 可简化半桥和全桥式马达控制应用的测试,加速直流马达控制设计的原型建构,且符合成本效益。扩展板可驱动两个单向直流马达或一个双向直流马达,在此应用下,扩展板将采用两个 BTN8982TA 全整合高电流半桥式驱动器。

Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 BTN8982TA)
图7 : Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 BTN8982TA)
例如,Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 BTN8982TA ) 能处理 30kHz 的高频率 PWM 输入。扩展板支援最高 250W 连续负载 (在 12V / 20A 下) 的有刷直流马达控制,但有电流限制的 BTN8982TA 允许的额定电流最高为 55A。

(本文由英飞凌科技提供,作者为Philip Brockerhoff、Johannes Breitschopf、Markus Bader)
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