電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：集成驅(qū)動(dòng)器與柵極驅(qū)動(dòng)器的區(qū)別

在設(shè)計(jì)電機(jī)控制電路時(shí)，確定如何提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的大電流至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員必須選擇是使用具有內(nèi)部功率器件的單片集成電路 (IC)，還是使用柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和分立的外部功率 MOSFET。

本文討論了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并就何時(shí)選擇這兩種解決方案提供了指導(dǎo)。

單片驅(qū)動(dòng)程序

第一種選擇是使用單片驅(qū)動(dòng)器 IC 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。集成 IC 由封裝中的一個(gè)硅芯片組成;該芯片集成了邏輯、支持和保護(hù)電路，以及驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電機(jī)的 MOSFET 等功率器件。

由于單片解決方案中的 MOSFET 與控制電路制造在同一芯片上，因此這些解決方案提供了精確電流測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。單片 IC 還提供強(qiáng)大的保護(hù)功能，例如過(guò)流保護(hù) (OCP) 和過(guò)熱保護(hù) (OTP)，因?yàn)樵撾娐房梢苑胖迷诠杵系?MOSFET 附近。

集成驅(qū)動(dòng)器僅限于與 IC 工藝兼容的額定電壓和電流，這意味著可用的最高額定電壓在 80 V 和 100 V 之間。此外，這些驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)約 15 A。

單片驅(qū)動(dòng)器幾乎專門用于打印機(jī)等大容量應(yīng)用，其中電源電壓通常低于 35 V，電機(jī)電流低于 5 A。

集成驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)示例是MPQ6541，這是一種汽車專用的 3 通道功率級(jí)器件。它的額定電源電壓高達(dá) 45 V，連續(xù)負(fù)載電流為 8 A，或每個(gè)通道的峰值電流為 15 A。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成了六個(gè) MOSFET，每個(gè) MOSFET 的 R DS(ON)為 15 mΩ。它采用 TQFN-26、6 mm x 5 mm 倒裝芯片封裝。

柵極驅(qū)動(dòng)器

第二種選擇使用分立功率 MOSFET(或在某些情況下，使用其他功率器件)來(lái)驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電機(jī)，并且 MOSFET 通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器 IC、預(yù)驅(qū)動(dòng)器或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。

對(duì)于需要超過(guò) 100 V 的高電壓或非常高電流的應(yīng)用，不存在單片解決方案。在這些情況下，需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器以及分立的 MOSFET。

由于在這種情況下需要多個(gè)器件(有時(shí)多達(dá)三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和六個(gè)功率 MOSFET)，因此解決方案尺寸(即電機(jī)驅(qū)動(dòng)器占用的 PCB 面積)遠(yuǎn)大于單片驅(qū)動(dòng)器所需的尺寸。

高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)例子是MPQ6533，這是一款 3 通道柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，具有壓擺率控制和內(nèi)部診斷功能等集成特性。該器件采用 5 mm x 5 mm QFN-32 封裝。

成本考慮

模擬和混合信號(hào) IC 工藝比專用分立 MOSFET 工藝復(fù)雜得多。由于在 IC 工藝中制造低 R DS(ON) MOSFET 需要大面積的硅，因此在 MOSFET 工藝中具有相同 R DS(ON)和電壓的器件的成本通常高于制造類似器件的成本器件采用專用的分立 MOSFET 工藝。

對(duì)于較低電流和/或較低電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在 IC 工藝中制造 MOSFET 的代價(jià)很小。由于控制和保護(hù)功能占據(jù)了芯片的很大一部分，因此為 MOSFET 增加的面積不會(huì)像使用外部 MOSFET 那樣增加成本。

然而，對(duì)于大電流應(yīng)用，IC 工藝中 MOSFET 的成本開(kāi)始主導(dǎo)器件的成本。盡管有可以支持 15A 電機(jī)電流的單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，但它們通常比使用柵極驅(qū)動(dòng)器和分立 MOSFET 的實(shí)現(xiàn)更昂貴。

在某些情況下，單片部件的小尺寸被高度重視，以至于它證明了更昂貴的解決方案是合理的。例如，一些系統(tǒng)需要在電機(jī)內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器，但可用空間很小。在這些情況下，使用柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 的解決方案可能根本不適合受限空間。

為了粗略了解單片解決方案與柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案的相對(duì)成本，我們可以比較單片 IC 加上具有三個(gè)雙 MOSFET 和三個(gè)電流檢測(cè)電阻器的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的成本。其他支持組件(例如旁路電容器)在兩種解決方案之間具有相似的價(jià)格。請(qǐng)注意，這些成本基于少量目錄價(jià)格;實(shí)際批量生產(chǎn)價(jià)格通常要低得多。

解決方案大小

單片驅(qū)動(dòng)器幾乎總是小于使用柵極驅(qū)動(dòng)器和分立 MOSFET 的等效解決方案。

例如，我們可以比較 MPQ6541 與 MPQ6533 占用的 PCB 面積以及額外的功率 MOSFET。兩個(gè)部件的尺寸差異很大，MPQ6541 占據(jù) 130 mm 2，MPQ6533 占據(jù) 520 mm 2，是原來(lái)的四倍。請(qǐng)注意，此處顯示的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案在小封裝中使用雙 MOSFET;在其他情況下，MOSFET 可以更大，這會(huì)進(jìn)一步增加解決方案的 PCB 面積。

散熱注意事項(xiàng)

為了有效散發(fā)功率 MOSFET 中產(chǎn)生的熱量，PCB 通常用作散熱器。較大的封裝通常對(duì) PCB 具有更好的導(dǎo)熱性，這意味著從散熱的角度來(lái)看，更大的解決方案更好。這有利于使用柵極驅(qū)動(dòng)器的解決方案，因?yàn)楣β?MOSFET 通常很大。低 R DS(ON)功率 MOSFET 很容易獲得，因此在某些情況下——尤其是需要在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用——熱因素可能會(huì)排除使用單片驅(qū)動(dòng)器。

單片驅(qū)動(dòng)程序采用較小的封裝。為了補(bǔ)償這些封裝中較高的熱阻，給定電流的 R DS(ON)必須低于使用分立 MOSFET 的類似解決方案的 R DS(ON)。

考慮 MPQ6541 單片驅(qū)動(dòng)器及其較小的尺寸。如果 PCB 設(shè)計(jì)正確，則該部分可以驅(qū)動(dòng)很大的電流。顯示了 MPQ6541 在 5 cm x 5 cm、2 層 PCB 上的溫度，同時(shí)為三相無(wú)刷電機(jī)提供 6 A 電流。測(cè)得的外殼溫度比環(huán)境溫度高 38°C。帶有內(nèi)部平面的 4 層 PCB 將進(jìn)一步降低溫升。

仔細(xì)考慮權(quán)衡

在單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和采用外部 MOSFET 解決方案驅(qū)動(dòng)電機(jī)的柵極驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行選擇很復(fù)雜。必須考慮成本、解決方案尺寸和熱特性之間的權(quán)衡。

對(duì)于非常小的電機(jī)，單片驅(qū)動(dòng)器是最佳解決方案。同樣，對(duì)于非常高功率的電機(jī)，應(yīng)使用使用柵極驅(qū)動(dòng)器和分立 MOSFET 的解決方案。然而，這兩種解決方案之間存在很大的重疊，因此設(shè)計(jì)人員在做出選擇時(shí)應(yīng)考慮其應(yīng)用的規(guī)格。