近年来,随着消费者对日用电器“智能”本质的呼声越来越高,利用小电机实现基本自动机械功能的需求逐渐增加。按制动类别分类,这些电机驱动器广泛应用于家用电器、家庭和工业自动化以及汽车电子等应用。
从车窗打开到智能门锁操作,或者大灯调节,电机驱动器无处不在。而且,随着技术的发展,三相无刷电机正在不断取代老式的有刷电机,可靠性和效率都得到了提高。通常,简单的有刷电机由半桥或全桥MOSFET 驱动,具体取决于是否需要单向或双向旋转(见图1),并通过使用PWM 输入控制电流来控制速度。有刷电机技术由于成本低廉、控制相对容易而成熟并得到广泛应用。但由于有刷换向器触点和碳刷容易磨损,其使用寿命大大降低。
相比之下,三相无刷电机在位置控制方面具有更大的灵活性,可以精确控制三相中每一相的电流,将电机设置在特定位置(见图2)。
同时,有刷电机中的机械换向被电子换向所取代,无刷电机由于没有碳刷磨损,可靠性变得更高。
图1:带换向器的无刷电机
三相无刷电机可以通过简单的“六步”模块化换向进行控制,该换向以旋转、相移顺序将能量施加到三相中的两相。或者,它可以使用更复杂的正弦波或磁场定向控制,沿着曲线逐渐向每个相施加能量,从而精确控制电机的位置。为了实现这种精确控制,三相无刷电机驱动器必须集成三个半桥(六个MOSFET)和反馈放大器,用于对每相进行单独的电流采样,从而使控制设备能够准确监控每相的电流。
图2:三相无刷电机
MPS最新的三相无刷直流电机驱动级产品系列MP6540和MP6540A可提供业界领先的功率密度,并采用5mmx5mm小型QFN封装。该系列产品的工作电压范围为5.5V至35V,每相可提供高达3A的电流。持续电流,峰值电流可达10A(PCB面积适中,散热条件良好)。该系列电机驱动器集成了三个功率级半桥,由六个50m N 沟道功率MOSFET 组成,以及一个预驱动器、栅极驱动电源和电流采样放大器。其内部电荷泵可为高侧MOSFET 栅极驱动器供电,并可通过使用涓流充电电路以100% 占空比运行,以维持足够的栅极驱动电压。该系列产品有2种输入模式:MP6540每相具有独立的PWM和EN输入,MP6540A每相具有独立的高侧和低侧输入。
内部功率MOSFET 栅极预驱动器具有自动死区时间控制功能,可防止切相期间发生击穿,同时自动同步整流可消除续流电流,实现最大效率。其内部安全功能包括过热关断、欠压锁定和过流保护(见图3)。
图3:MP6540/MP6540A无刷电机驱动器功能框图
MP6540 和MP6540A 均采用单片设计,利用MPS 专有的倒装芯片工艺直接通过封装引线框架散热。图中拉长的焊盘通过铜柱直接连接到内部高端和低端MOSFET,最大限度地减少了PCB铜的热阻。焊盘上连接PCB 电源和接地层的小过孔可以进一步改善电机驱动器的散热(见图4 和图5)。
图4:封装横截面,晶圆和引线框架通过铜柱直接连接
图5:FC-QFN 封装的正面和背面
图6 显示了2 层PCB 的示例,该PCB 是5cmx5cm FR4 板(1 盎司铜),厚度为1.6mm。
图6:PCB 顶层
MP6540 驱动4A 无刷直流电机时获得的热图像(见图7)。本示例使用2 层4cmx4cm PCB(使用标准1oz 铜和1.6mm 厚FR-4 PCB 材料)。
图7:热图像
MP6540 和MP6540A 尺寸小、支持多种控制方案且易于使用(在-40 至+125C 的行业标准温度范围内进行测试),是紧凑型无刷电机应用的理想选择。
编辑:hfy