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八款主流電機(jī)驅(qū)動芯片大盤點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2022-03-01 來源:貿(mào)澤電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置,電機(jī)種類豐富、用途廣泛,在工業(yè)、汽車、農(nóng)業(yè)、辦公、家電等場景中隨處可見。以新能源汽車電控系統(tǒng)中采用的電機(jī)為例,便會涉及到直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)四大類。


自1831年英國物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第發(fā)明真正意義上的第一臺電機(jī),至今已有近200年的歷史,電機(jī)行業(yè)的重心也由直流有刷電機(jī)和交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)移到永磁同步電機(jī)和直流無刷電機(jī)。憑借高效、高功率因數(shù)、高可靠性、溫升低、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn),永磁同步電機(jī)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,包括航空航天、石油冶金、工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域;直流無刷電機(jī)則具有效率高、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等突出優(yōu)勢,在家用電器、辦公設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域形成規(guī)模應(yīng)用,并具有很大的市場潛力等待大家深入挖掘。


技術(shù)的進(jìn)步推動市場向前高速發(fā)展,根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Grand View Research的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2020年全球電機(jī)市場銷售規(guī)模已經(jīng)達(dá)到1505億美元,從2020年至2027年全球電機(jī)市場銷售規(guī)模有望以6.4%的年復(fù)合增長率繼續(xù)攀升,到2027年達(dá)到2325億美元。


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圖1:全球電機(jī)市場銷售規(guī)模

(數(shù)據(jù)來源:Grand View Research)


對于電機(jī)應(yīng)用而言,除了需要挑選適合的電機(jī)類型,驅(qū)動控制電路同樣很重要,一般由主處理器、增量型編碼器和驅(qū)動芯片組成,是電機(jī)提升能效的關(guān)鍵所在,技術(shù)和產(chǎn)品的先進(jìn)程度與節(jié)能減排水平直接掛鉤。因此,如果能找到一款合適的電機(jī)驅(qū)動芯片,便能夠在開發(fā)效率、系統(tǒng)能效、集成度和可靠性等多方面助力電機(jī)方案的設(shè)計(jì)。


話不多說,我們來看看貿(mào)澤電子為電機(jī)開發(fā)人員精心準(zhǔn)備的大禮包——八款主流電機(jī)驅(qū)動芯片大盤點(diǎn),這些來自知名廠商的創(chuàng)新電機(jī)驅(qū)動方案,不僅類型豐富且各具優(yōu)勢,是設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)應(yīng)用的優(yōu)中之選。


Toshiba電機(jī)驅(qū)動器


TB9058FNG是符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的汽車直流伺服電機(jī)驅(qū)動器,能夠測量當(dāng)前電機(jī)位置,控制電機(jī)旋轉(zhuǎn),并確保旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置。


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圖2:TB9058FNG

(圖源:Toshiba)


圖3是該驅(qū)動器的內(nèi)部框圖,該驅(qū)動器基于本地互連網(wǎng)(LIN)1.3協(xié)議規(guī)范,能夠以19200bps / 9600bps / 4800bps / 2400bps通訊速率與LIN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,最多可連接16個(gè)設(shè)備作為單個(gè)總線上的從設(shè)備。


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圖3:TB9058FNG內(nèi)部框圖

(圖源:Toshiba)


TB9058FNG的工作電源電壓范圍為7V至18V,待機(jī)電流消耗≤10μA,當(dāng)器件喚醒前,考慮到振蕩穩(wěn)定所需的時(shí)間,預(yù)計(jì)將至少需要等待10ms才能開始接收數(shù)據(jù)。


該驅(qū)動器擁有出色的保護(hù)功能,包括增強(qiáng)的校驗(yàn)功能,±1.5A驅(qū)動器短路保護(hù),以及過溫過壓保護(hù)電路等。


NXP電源IC和驅(qū)動器


MC33HB2000AES是SMARTMOS單片半橋IC,是采用ISO 26262流程設(shè)計(jì)的H橋電機(jī)驅(qū)動器,符合AEC-Q100 1級標(biāo)準(zhǔn),能夠滿足嚴(yán)格要求的汽車應(yīng)用需求,包括電子節(jié)氣門控制,廢氣再循環(huán)(EGR)控制,渦輪、漩渦和旋轉(zhuǎn)以及廢物擋板控制,電動泵、電機(jī)控制和配件。


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圖4:MC33HB2000AES

(圖源:NXP)


MC33HB2000AES工作電壓范圍為5V至28V,能夠控制峰值電流大于10A的電感負(fù)載,標(biāo)稱連續(xù)平均負(fù)載電流為3A,通過誤差小于5%的電流鏡輸出信號提供高精度的實(shí)時(shí)電流反饋。


圖5是這款電源IC的功能框圖。此驅(qū)動器提供了通過由低RDS(on) N溝道MOSFET和集成控制電路組成的單片H橋,高效驅(qū)動直流電機(jī)正向和反向軸旋轉(zhuǎn)的方法。H橋的開關(guān)動作可以進(jìn)行脈寬調(diào)制以獲得扭矩和速度控制,從0.25V/μs到16V/μs分八步選擇,讓用戶可以靈活地滿足EMI要求并最大限度地減少開關(guān)損耗。輸出包括配置為標(biāo)準(zhǔn)H橋的四個(gè)功率MOSFET,由IN1和IN2輸入控制。


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圖5:MC33HB2000AES功能框圖

(圖源:NXP)


MC33HB2000AES提供多項(xiàng)安全和保護(hù)功能,包括電荷泵欠壓、過壓和VPWR欠壓,接地短路和VPWR短路(每路輸出),開路負(fù)載、溫度警告和過熱關(guān)斷。同時(shí),該電源IC具有很好的可擴(kuò)展性,SPI可編程電流限制和壓擺率允許為各種電機(jī)尺寸使用相同的電機(jī)驅(qū)動器。


Maxim電機(jī)驅(qū)動器


MAX22203是一款65V、3.8A雙通道有刷或單通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,可用于驅(qū)動兩個(gè)有刷直流電機(jī)或單個(gè)步進(jìn)電機(jī)。該器件內(nèi)設(shè)有兩個(gè)H橋,最大工作電壓為65V。每個(gè)H橋均可單獨(dú)控制,具有0.3Ω的極低典型RON(高側(cè)+低側(cè)),從而實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動效率,降低發(fā)熱量。


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圖6:MAX22203

(圖源:Maxim)


該器件的一大亮點(diǎn)是橋式輸出電流由非耗散型電流檢測電路(ICs)進(jìn)行檢測,與可配置閾值電流(ITRIP)相比,無需通常需要的外部功率電阻器。通過將外部電阻器連接到REFA和REFB引腳,ITRIP閾值可獨(dú)立設(shè)置為兩個(gè)全橋。


諸多保護(hù)特性是MAX22203的另一大亮點(diǎn),包括過流保護(hù)(OCP)、熱關(guān)斷(TSD)和欠壓閉鎖(UVLO)。每當(dāng)檢測到故障狀態(tài)時(shí),便激活開漏低電平有效nFAULT引腳。在熱關(guān)斷和欠壓閉鎖期間,驅(qū)動器處于三態(tài),直至恢復(fù)正常工作。


此外,MAX22203集成電流驅(qū)動調(diào)節(jié)(CDR),電流檢測外部控制器可出于各種原因使用CDR引腳,如下圖7展示了當(dāng)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)且DIN2保持在高電平(情況A)或DIN2切換時(shí)(情況B和C),CDR功能的具體行為。比如,引腳占空比可用于檢測停頓條件。


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圖7:MAX22203的CDR行為

(圖源:ADI)


MAX22203可用于有刷直流電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、電磁驅(qū)動器、鎖存閥。


英飛凌智能功率模塊


IM818LCCXKMA1是一款全隔離雙列直插式CIPOS Maxi 1200V、15A三相智能電源模塊,采用DIP 36x23D封裝,為電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用提供全功能的緊湊型逆變器解決方案,可用于控制變速驅(qū)動應(yīng)用中的三相交流電機(jī)和永磁電機(jī),包括工業(yè)驅(qū)動、風(fēng)扇和泵、HVAC室外風(fēng)扇、有源濾波器等。


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圖8:IM818LCCXKMA1

(圖源:英飛凌)


IM818LCCXKMA1基于1200V TRENCHSTOP IGBT技術(shù)打造,顯著提高了器件的靜態(tài)和動態(tài)性能。同時(shí),這種IGBT技術(shù)與器件內(nèi)部的軟恢復(fù)發(fā)射極控制二極管一起降低了導(dǎo)通損耗,給系統(tǒng)效率帶來明顯提升。


CIPOS Maxi IPM設(shè)計(jì)讓IM818LCCXKMA1堪稱高性能和高性價(jià)比之選,集成了各種電源和控制組件,以提高可靠性、優(yōu)化PCB尺寸和系統(tǒng)成本。當(dāng)工程師朋友的設(shè)計(jì)方案格外重視功率密度時(shí),IM818LCCXKMA1無疑是理想的選擇,CIPOS Maxi IPM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1200V IPM級別的超小封裝,能夠在模塊和系統(tǒng)方面提升功率密度,在尺寸和性能方面都不妥協(xié)。


IM818LCCXKMA1提供出色的保護(hù)能力,包括過流關(guān)斷、相電流監(jiān)控、溫度監(jiān)控和欠壓閉鎖功能等,再結(jié)合DCB基板出色的熱性能,特別適合用于需要良好散熱性能和電氣隔離、較強(qiáng)EMI控制能力以及過載保護(hù)的電源應(yīng)用。在此重點(diǎn)解讀一下過流關(guān)斷和欠壓閉鎖功能。


IM818LCCXKMA1具有SCSOA(短路安全工作區(qū))性能,如圖9所示,如短路時(shí)間小于16.0μs,IGBT就有安全關(guān)斷的能力。在這種情況下,IGBT可以在17.5V的控制電源電壓下關(guān)閉峰值約為46.8A的SC電流(非重復(fù))。


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圖9:IM818LCCXKMA1的SCSOA性能

(圖源:英飛凌)


IM818LCCXKMA1通過掩埋氧化硅層提供堅(jiān)固型1200V SOI柵極驅(qū)動器技術(shù),并可以防止相鄰器件之間的泄漏或閉鎖電流,防止閂鎖效應(yīng),從而提高魯棒性。這種適用于6個(gè)開關(guān)的保護(hù)技術(shù)能夠在欠壓鎖定或過壓等故障情況下關(guān)閉所有6個(gè)開關(guān)。


此外,如圖10所示,IM818LCCXKMA1集成IGBT、二極管、柵極驅(qū)動器IC和熱敏電阻,并通過超緊湊的占地面積,適用于空間受限的工業(yè)應(yīng)用。


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圖10:IM818LCCXKMA1的PCB特征

(圖源:英飛凌)


安森美 (onsemi) 隔離式IGBT柵極驅(qū)動器


NCD57084是一款高電流單通道IGBT柵極驅(qū)動器,具有2.5kVrms內(nèi)部電流隔離,專為高功率應(yīng)用中的高系統(tǒng)效率和可靠性而設(shè)計(jì)。該驅(qū)動器在窄體SOIC8封裝中包括具有軟關(guān)斷和故障報(bào)告功能的電流檢測功能。


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圖11:NCD57084

(圖源:安森美)


NCD57084具有低輸出阻抗,用于增強(qiáng)型IGBT驅(qū)動,提供3.3V至20.0V寬輸入偏置電壓范圍和信號電平,以及高達(dá)30.0V寬輸出偏置電壓范圍,支持+7A/-7A高峰值輸出電流。通過圖12能夠看出,該器件傳播延遲時(shí)間短,可以做到精準(zhǔn)匹配。UVLO閾值小,能夠?qū)崿F(xiàn)偏置靈活性。


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圖12:NCD57084傳播延遲、上升和下降時(shí)間

(圖源:安森美)


NCD57084設(shè)計(jì)用于在大功率應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率和可靠性,擁有多項(xiàng)保護(hù)機(jī)制,包括短路期間的IGBT柵極鉗位、IGBT過流時(shí)軟關(guān)閉、2.5kVrms電流隔離、高瞬態(tài)抗擾度、高電磁抗擾度等,可用于電機(jī)控制、不間斷電源(UPS)、工業(yè)電源、暖通空調(diào)、工業(yè)用泵和風(fēng)扇等領(lǐng)域。


Microchip電機(jī)控制MCU


PIC32CM1216MC00048-I/U5B是一款基于Arm Cortex-M0+內(nèi)核打造的電機(jī)控制微控制器(MCU),運(yùn)行頻率高達(dá)48MHz,具有單周期硬件乘法器和MPU,提供128KB閃存、16KB SRAM主內(nèi)存和4KB閃存(用于數(shù)據(jù)閃存)。


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圖13:PIC32CM1216MC00048-I/U5B

(圖源:Microchip)


圖14是該MCU的功率域概覽,提供48MHz至96MHz小數(shù)數(shù)字鎖相環(huán)(FDPLL)、上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(BOD)等功能。此外,還搭載包括一個(gè)16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SDADC)、兩個(gè)12位1Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個(gè)10位350ksps數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及兩個(gè)模擬比較器(AC)等高級模塊。


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圖14:PIC32CM1216MC00048-I/U5B功率域概覽

(圖源:Microchip)


在電機(jī)控制方面,該MCU提供兩個(gè)24位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(TCC),擴(kuò)展功能包括:


●    多達(dá)4個(gè)比較通道,帶可選互補(bǔ)輸出;

●    在端口引腳上生成同步脈寬調(diào)制(PWM)模式;

●    確定性故障保護(hù)、快速衰減和互補(bǔ)輸出之間可配置的死區(qū)時(shí)間;

●    可以提高分辨率(高達(dá)5位)并減少量化誤差的抖動;

●    多達(dá)8個(gè)波形輸出通道。


TI三相柵極驅(qū)動器


DRV8300NIPWR是100V三相半橋柵極驅(qū)動器,每個(gè)半橋柵極驅(qū)動器均可驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)N通道功率MOSFET,使用集成式自舉二極管和外部電容器為高側(cè)MOSFET生成正確的柵極驅(qū)動電壓。應(yīng)用領(lǐng)域包括電動自行車,電動踏板車和電動交通,風(fēng)扇、泵和伺服驅(qū)動器,無刷直流(BLDC)電機(jī)模塊和PMSM,無繩真空吸塵器,以及無人機(jī)、機(jī)器人和RC玩具等。


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圖15:DRV8300NIPWR

(圖源:TI)


在如圖16所示的DRV8300NIPWR簡化原理圖中,GVDD用于為低側(cè)MOSFET生成柵極驅(qū)動電壓,柵極驅(qū)動架構(gòu)支持峰值高達(dá)750mA的拉電流和1.5A的灌電流;支持反相和同相INLx輸入;相位引腳SHx能夠承受最高-22V的負(fù)瞬態(tài)電壓;BSTx和GHx能夠支持更高的正電壓瞬變(115V)絕對最大電壓,從而提高系統(tǒng)的魯棒性;通過GVDD和BST欠壓鎖定為低側(cè)和高側(cè)提供欠壓保護(hù);通過DT引腳可調(diào)死區(qū)時(shí)間,用于QFN封裝型號。


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圖16:DRV8300NIPWR簡化原理圖

(圖源:TI)


此外,DRV8300NIPWR較小傳播延遲和延遲匹配性能可大大降低死區(qū)時(shí)間要求,進(jìn)一步提高了效率。


STMicroelectronics電機(jī)控制器


STSPIN32G4是一款帶STM32G4 MCU的電機(jī)控制器,用于驅(qū)動三相無刷電機(jī)。該器件具有高度集成、靈活的產(chǎn)品特性,嵌入三個(gè)半橋柵極驅(qū)動器,電流能力為1A(拉電流和灌電流);嵌入三個(gè)自舉二極管;嵌入可編程降壓穩(wěn)壓器,具有嵌入式功率MOSFET,可從電機(jī)電源電壓VM開始為柵極驅(qū)動器生成電源電壓;自帶集成式MCU(STM32G431VBx3),工作頻率高達(dá)170MHz;MCU內(nèi)部還集成高速存儲器(128kB閃存和32kB SRAM),以及具有多種保護(hù)機(jī)制和多達(dá)40引腳可用GPIO。


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圖17:STSPIN32G4

(圖源:ST)


因此,該器件可明顯減少PCB面積和總體物料清單。得益于嵌入式靈活電源管理功能,該器件可自供電,可以從電機(jī)電源電壓VM產(chǎn)生所需的所有電源,這是唯一從外部提供的電源。


自帶STM32G4 MCU是該電機(jī)控制器一大亮點(diǎn),顯著降低了電機(jī)應(yīng)用的開發(fā)難度,并賦予方案智能化能力。這款MCU具有豐富、特定的功能,因此是高級電機(jī)控制應(yīng)用的主流選擇。同時(shí),該處理器具有單精度浮點(diǎn)單元(FPU)、全套DSP(數(shù)字信號處理)指令和內(nèi)存保護(hù)單元(MPU),支持運(yùn)行性能非常卓越的電機(jī)控制算法,即使在極具挑戰(zhàn)性的運(yùn)動控制應(yīng)用中,也能在合適控制選擇方面提供出色的靈活性。


在保護(hù)功能方面,STSPIN32G4得益于集成聯(lián)鎖功能,不能同時(shí)驅(qū)動相同半橋的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)。另一個(gè)保護(hù)功能是硬件VDS監(jiān)控電路,可連續(xù)監(jiān)控六個(gè)外部MOSFET中的每一個(gè)。當(dāng)在其中一個(gè)上檢測到過壓時(shí),它會關(guān)閉所有柵極驅(qū)動器輸出。過壓閾值通過專用的SCREF引腳設(shè)置。


出色的性能讓STSPIN32G4可以廣泛用于工業(yè)和家庭自動化,伺服驅(qū)動器和電動自行車,服務(wù)和自動化機(jī)器人,泵和風(fēng)扇,以及無人機(jī)和航模等豐富場景。


如果工程師朋友對這顆器件感興趣,也可以通過ST提供的EVSPIN32G4演示板進(jìn)行深入了解,貿(mào)澤電子上的制造商編號為EVSPIN32G4。


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圖18:EVSPIN32G4演示板

(圖源:ST)


該演示板包括STSPIN32G4系統(tǒng)和STL110N10F7功率MOSFET。得益于集成的穩(wěn)壓器,柵極驅(qū)動器和控制邏輯電源均可從電機(jī)電源開始生成,無需專用電路,能夠便捷全面地了解STSPIN32G4這款MCU。


豐富的接口資源是EVSPIN32G4演示板的一大優(yōu)勢,擁有多達(dá)40個(gè)GPIO。同時(shí),為了更好地適配算法,該板可配置為三分流或單分流結(jié)構(gòu),支持無傳感器和基于傳感器的控制算法。


總結(jié)


上述八款電機(jī)驅(qū)動芯片可謂是各有所長,無論是面向產(chǎn)品迭代迅速的消費(fèi)電子領(lǐng)域,還是使用條件極其復(fù)雜的工業(yè)領(lǐng)域,或者是對產(chǎn)品品質(zhì)要求更嚴(yán)苛的汽車領(lǐng)域,都能夠找到適合的方案,幫助快速打造具有市場競爭力的電機(jī)驅(qū)動方案。


來源:貿(mào)澤電子



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