如果您正在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，以往您可能會使用如雙極結(jié)型晶體管 （BJT） 等多個分立式元件來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制,。盡管這種方法通常成本更低,，但使用的元件總數(shù)更多,，占用的布板空間更大，花費(fèi)的設(shè)計(jì)時間更長,，復(fù)雜度也更高,。使用多個元件還可能會影響系統(tǒng)可靠性。

　　隨著應(yīng)用的復(fù)雜度增加,、功率提高,、占用空間減小，集成變得至關(guān)重要,。集成解決方案可以縮短設(shè)計(jì)時間,、簡化采購流程以及節(jié)省成本，同時還可以確保電機(jī)系統(tǒng)更加可靠和高效,。

　　在本文中,，我將對不同的電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較，包括分立式和完全集成式選項(xiàng),，從而幫助您找到適合您設(shè)計(jì)的方法,。表 1 比較了各種電機(jī)控制選項(xiàng)的集成度。

　　表 1：用于驅(qū)動電機(jī)的集成度

　　采用分立式方法進(jìn)行電機(jī)控制

　　圖 1 展示了控制單元（如微控制器 （MCU））處理電機(jī)狀態(tài)的反饋,，并發(fā)送信號來調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩,、位置和速度。柵極驅(qū)動器將來自 MCU 的信號放大,，以驅(qū)動電機(jī)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET）,。

　　圖 1：基本電機(jī)控制方框圖

　　您可以使用 BJT 圖騰柱/推挽電路作為柵極驅(qū)動電路來驅(qū)動單個 MOSFET，如圖 2 所示,。盡管此方法成本很低且易于實(shí)現(xiàn),，但 BJT 圖騰柱電路所需的外部元件數(shù)量較多且占用的布板空間較大。此外,，您必須復(fù)制此分立式電路,，因?yàn)槟枰鄠€ MOSFET 來驅(qū)動電機(jī)，致使所需的元件數(shù)量和布板空間成倍增加,。

　　圖 2：采用分立式 BJT 圖騰柱/推挽電路實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動器方框圖

　　第一個集成選項(xiàng)：柵極驅(qū)動器 IC

　　基本柵極驅(qū)動器 IC 將圖騰柱的功能集成到單個封裝內(nèi),。最近的工藝技術(shù)不斷創(chuàng)新，使得柵極驅(qū)動器 IC 與分立式 BJT 一樣實(shí)惠,。

　　在選擇柵極驅(qū)動器 IC 時需要考慮幾個注意事項(xiàng),，例如通道數(shù)以及最適合電機(jī)功率級別的電壓和電流能力，如圖 3 所示,。

　　集成式柵極驅(qū)動器 IC 包括：

　　·單通道柵極驅(qū)動器（如德州儀器 （TI） 的 UCC21732）,，通常用于驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)高壓 （>700V） 電源開關(guān)（如絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT） 和碳化硅 （SiC））的交流電機(jī)。

　　·雙通道半橋柵極驅(qū)動器（如 UCC27712）,，用于驅(qū)動 IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 電機(jī)

　　·四通道 H 橋驅(qū)動器和六通道三相電機(jī)柵極驅(qū)動器（如 DRV8329）,，專為低壓 MOSFET （<60V） 直流電機(jī)設(shè)計(jì)

　　隨著電機(jī)功率級別的變化,，使用柵極驅(qū)動器可以保持以前的設(shè)計(jì)，同時只改變外部 FET 以適應(yīng)新的電壓和電流電平,。

　　圖 3：驅(qū)動外部 FET 的柵極驅(qū)動器 IC 類型

　　柵極驅(qū)動器涵蓋具備基本功能（如防止跨導(dǎo)的欠壓鎖定和聯(lián)鎖保護(hù)）的驅(qū)動器,，以及具備高級功能（如用于壓擺率控制和自動死區(qū)控制的智能柵極驅(qū)動技術(shù)）的驅(qū)動器。

　　傳統(tǒng)上而言,，由以下外部元件設(shè)置壓擺率：兩個源極和漏極電阻器（用于限制 MOSFET 柵極的電流）,、一個二極管（用于單獨(dú)調(diào)節(jié)上升和下降速率），以及一個下拉電阻器,。借助智能柵極驅(qū)動技術(shù),，可以不再使用這些元件，而且可通過串行外設(shè)接口靈活調(diào)節(jié)壓擺率,。

　　六通道驅(qū)動器采用智能柵極驅(qū)動技術(shù),，無需使用多達(dá) 24 個分立式元件，節(jié)省了布板空間,，也減少了物料清單 （BOM） 數(shù)量,。柵極驅(qū)動器還集成了其他保護(hù)和診斷功能，包括電流檢測,、過流和過熱保護(hù),、故障檢測甚至隔離功能,，這進(jìn)一步減少了元件數(shù)量,。

　　第二個集成選項(xiàng)：電機(jī)驅(qū)動器 IC

　　電機(jī)驅(qū)動器 IC 包括柵極驅(qū)動器和集成 FET，非常適合低功率電機(jī)系統(tǒng) （<70W）,，如圖 4 所示,。與柵極驅(qū)動器相比，電機(jī)驅(qū)動器 IC 的占用空間更??；集成了 FET 功率級，從而簡化了設(shè)計(jì)原理圖和布局,。與柵極驅(qū)動器 IC 一樣,，電機(jī)驅(qū)動器 IC（如 DRV8962）也集成了保護(hù)和診斷功能。

　　圖 4：具有集成 FET 的 H 橋和三相電機(jī)驅(qū)動器

　　在選擇電機(jī)驅(qū)動解決方案時,，務(wù)必要考慮內(nèi)部 FET 的 RDS（ON）,、峰值電流和均方根電流?？紤]到內(nèi)部 FET 的功率耗散,，還需要執(zhí)行熱計(jì)算。

　　第三個集成選項(xiàng)：集成控制柵極驅(qū)動器 IC

　　與前兩個選項(xiàng)不同,，集成控制柵極驅(qū)動器 IC（如 MCT8329A）無需 MCU 即可進(jìn)行電機(jī)控制,。這些 IC 仍然具有具備保護(hù)和診斷功能的柵極驅(qū)動器,，同時納入了控制算法而無需 MCU 輔助，如圖 5 所示,。

　　電機(jī)換向算法的實(shí)現(xiàn)可能很復(fù)雜,，無論是梯形控制、正弦控制還是磁場定向控制,。集成控制柵極驅(qū)動器 IC 提供了一種無代碼解決方案,，可在內(nèi)部處理換向算法，從而幫助您縮短設(shè)計(jì)時間,，簡化編碼,、調(diào)試和測試的復(fù)雜性。

　　圖 5：集成控制三相柵極驅(qū)動器

　　借助集成控制柵極驅(qū)動器 IC,，通過傳感器控制或無傳感器控制可靈活實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向,。采用傳感器控制方法，可以使用外部霍爾效應(yīng)傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置,；這些 IC 可以采用霍爾效應(yīng)傳感器輸入,，并利用電機(jī)控制算法來安靜高效地驅(qū)動電機(jī)。相比之下,，采用無傳感器控制實(shí)現(xiàn)方法,，無需使用外部霍爾效應(yīng)傳感器，從而減少了布板空間和 BOM,。如果選擇無傳感器集成控制柵極驅(qū)動器 IC,，則需要通過集成電流檢測測量反電動勢（反 EMF）電壓，并在內(nèi)部計(jì)算電機(jī)位置,。

　　第四個集成選項(xiàng)：集成控制,、柵極驅(qū)動器和 FET IC

　　最后一個集成選項(xiàng)通常稱為“完全集成”，如圖 6 所示,。集成控制,、柵極驅(qū)動器和 FET IC（如 MCF8315A）將無代碼控制功能、具有保護(hù)和診斷功能的驅(qū)動器以及 FET 集成在一個芯片內(nèi),，因此占用的布板空間更小,、BOM 更少。與電機(jī)驅(qū)動器 IC 選項(xiàng)類似,，集成控制,、柵極驅(qū)動器和 FET IC 解決方案受到內(nèi)部 FET 的功能限制，因此需要進(jìn)行電流和熱計(jì)算,。

　　圖 6：完全集成 - 電機(jī)控制,、驅(qū)動器和 FET

　　結(jié)語

　　這些不同級別的 IC 不僅可滿足電機(jī)的功率級別要求，還可以縮短設(shè)計(jì)時間、節(jié)省成本和降低復(fù)雜性,。集成器件還可以解決家用電器中的可聞噪聲以及工廠自動化和機(jī)器人技術(shù)中的高精度控制等難題,。

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