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适用于家电 游戏机 计算设备和汽车的电机驱动方案

2017-03-02

  安森美半导体在电机驱动器领域有超过25年经证实的领先地位,自2010年以来售出了20多亿片电机驱动器,是全球BLDC冷却风机和全球白家电电机驱动器方案的领袖,拥有步进、直流和无刷直流(BLDC)电机驱动器的最宽广的产品阵容,在售产品达400多款,并持续改进以实现零缺陷和符合不断发展的ISO标准。

  安森美半导体利用技术专长,致力于使电机驱动器方案提供更小尺寸、更高能效和更高系统可靠性,如通过集成的方案、单电源运行、内置系统保护、小封装等实现更小占位,通过低导通电阻/饱和电压、同步整流、软脉宽调制(PWM)开关、低功耗等实现更高能效,通过内置过温、欠压、过压、过流、击穿等系统保护和宽工作电压范围实现更高系统可靠性。

  电机及其驱动器的基础知识

  电机分为交流电机和直流电机两大类,其中直流电机市场潜力巨大,全球目标市场容量(SAM)超过10亿美元,主要有步进、有刷和无刷等类别。步进电机易于控制位置,无需反馈,控制信号可以是简单的PWM脉冲串,易于接口到MCU,但能效较低,有相对高的噪声、震动和电磁干扰(EMI)等问题,通常通过微步数字通信克服这些缺点;直流有刷电机易于驱动,可通过PWM控制驱动速度,成本低,能效高,但容易磨损,使用寿命较短,会产生电刷火花和严重的EMI等问题,难以高速驱动; BLDC相对有更多的优势,因为无电刷,转子结构非常简单和强固,所以噪声低,无磨损,使用寿命长,可靠性高,且可高速运转,但需要复杂的驱动电路,成本相对较高。

  按集成度的不同,有3种电机驱动器方案:系统单芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和门极驱动器方案。SoC方案将DC-DC、门极驱动器、控制器、逆变器及反馈/保护等集成到单个芯片上,集成度高,适合空间受限的应用,简单易用;ICS方案相对于SoC方案,没有集成逆变器,因而可通过外部MOSFET支持宽范围的功率,适用于功率较大的应用,灵活性较高;门极驱动器方案则只集成DC-DC、门极驱动器和反馈/保护,因为控制器和功率器件都在外部,所以具有最高的灵活度。

  标准的BLDC方案

  安森美半导体的BLDC电机驱动器方案已广泛应用于计算机、服务器、电动工具、打印机、冰箱、微波炉和汽车等应用。如图1所示,根据输出电流和电压范围的不同,我们标注出了不同的BLDC电机驱动器方案更适合的应用。

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  图1:安森美半导体广博的BLDC电机驱动器方案阵容

  更高能效、更低噪声:单霍尔180度系列BLDC电机驱动器

  能效标准在不断提高,同时消费者还希望产品能更平稳、低噪声的工作。为帮助设计人员解决这些挑战,安森美半导体推出3款180°正弦波驱动3相BLDC电机的器件:LV8811、LV8813和LV8814(如图2所示),适用于家电如冰箱的散热风扇,游戏机和计算设备,这3款器件可由单个霍尔传感器控制,降低系统成本,导通电阻低至0.5 ?,超前角易于调整,提供PWM软开关和同步整流,因而可实现更高能效。在系统可靠性方面,此3款器件结合过流、过压、欠压和过温等保护功能,还包括锁定转子保护和自动恢复机制,集成度高,简化电机控制电路设计,减少噪声和振动,软启动和关断功能确保持续的工作稳定性。此外,这3款器件高度灵活,可通过一个直流电压或PWM输入进行速度控制,还可设定最小PWM占空比,无需软件因而省去软件开发时间。

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  图2:单霍尔180度BLDC电机驱动器框图及封装外形图

  1. LV8811、LV8813和LV8814可满足设计应用的不同需求

  LV8811、LV8813和LV8814的最大电源电压、最大输出电流、REG引脚和HB引脚的最大输出电流都是相同的,VCC工作电压范围分别为3.6 V至16 V、6 V至16 V,和3.6 V至16 V,低压关断阈值分别为2.5 V 、3.8 V和2.5 V。设计人员可根据不同的应用需求,选择适合的型号。这3款器件最大的不同在于占空比:LV8811的启动相对较复杂,其脉宽变化较为平滑,占空比从6%到5%,再到20%,最后到15%,可减少启动时的震动;LV8813和LV8814的启动PWM占空比则设定为从50%到25%,有助于提供启动时较大的扭矩。LV8811和LV8813采用集成散热盘的TSSOP20 封装,LV8814采用未集成散热盘的SSOP20封装。

  2. 单霍尔方案的启动过程

  首先,电机通过调整操作模式找到一个固定的位置,以减少由于依赖启动位置的启动故障。如果霍尔IC检测到调整过程中的变化,会延长调整操作,然后在完成调整过程后立即执行180度驱动。如图3所示,首先通过霍尔IC检测转子的极性(N或S),然后根据检测结果进入目标位置,随后提出转矩,开始转动,通过检测开关时间,最终开始正弦波驱动。

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  图3:从单个霍尔IC中的信息,生成一组A至C和D至F的位置。

  3. 单霍尔相对于其它驱动方式的优势

  对比3霍尔3相驱动器、单霍尔3相驱动器和无传感器3相驱动器,3霍尔驱动器可靠性最高,速度快,但需要使用3个霍尔,占板面积和偏置电流较大,成本较高;无传感器驱动器无需霍尔元件,占板面积小,结构紧凑,无偏置电流,但采用非正弦驱动方式驱动,可靠性和速度方面都低于霍尔类驱动;单霍尔驱动器则是3霍尔和无传感器方案的折中方案。

  表1对比了安森美半导体的单霍尔驱动方案LV8813与无传感器BLDC驱动方案LV8804的工作电压范围、最大输出电流Io、驱动方式、传感器、速度控制信号、外部元件及调整元件。可以看到,LV8813在速度控制方面更灵活,所需的调整元件引脚更少更简单。

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  表1:LV8813 vs. LV8804

  LV8813采用软启动的启动方式,在启动调整时间1 s 后,开始以25%的占空比开始运转,随后转向目标占空比的工作模式,该过程的变化速率为26%/s。由于LV8813采用180°驱动方式,工作时的正弦波形更为光滑、完整,而LV8804FV 采用150°驱动方式,波形会有一些毛刺和不规则。

  此外,我们对LV8813和LV8804进行了能效测试。如图4所示,当转速低于1,100 rpm时,LV8804 和LV8813 表现出差不多的能效(电机A),但当转速提高到1,100 rpm以上时,LV8813 比LV8804能效更高(电机B)。

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  图4:LV8804 vs. LV8813能效测试

  步进方案

  安森美半导体也提供步进电机驱动器方案,其中15 V以下的系列广泛应用于玩具、监控摄像、冰箱、微波炉、煤气炉、洗衣机、舞台灯等,24 V系列则主要集中在工业应用,如打印机、自动贩卖机、收音机、缝纫机、工业机器人等。图5为安森美半导体的12 V以上和3-15 V H桥/步进电机驱动器阵容。

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  图5:安森美半导体的H桥/步进电机驱动器阵容

  汽车BLDC方案

  除了传统的BLDC和步进应用,安森美半导体还专注于汽车BLDC应用领域,如各种泵、自动空调(HVAC)风机、座椅风扇、散热器风扇、LED大灯风扇等,可针对不同的功率级别提供相应的BLDC方案。如适用于油泵、水泵、散热器风扇、HVAC等应用的无传感器150度3相BLDC 预驱动器LV8907,内置门极驱动、LIN收发器和低压降稳压器(LDO),将占板面积减至最小,配合外部功率MOSFET可实现不同的功率等级输出。该器件通过了AEC-Q100认证,结温最高达175 ?C,无需软件,集成逐周期限流、过流保护、过压/欠压保护、过温保护、堵转保护等丰富的保护特性,可靠性极高。此外,LV8907可灵活地通过OTP设置实现单独的工作模式和通过SPI进行实时控制。

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  图6:LV8907框图

  总结

  安森美半导体拥有强大的电机驱动技术及成熟的电机驱动市场经验,宽广的产品线覆盖BLDC、步进电机和汽车等应用领域,并配合市场和设计人员的需求不断创新,其最新的单霍尔180度BLDC驱动系列LV881X,通过180°正弦驱动提升电机系统能效及减小噪声,并省去软件开发,节省开发时间和工作量,为冰箱的散热风扇及游戏机和计算设备等驱动应用提供理想的方案。


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