電機驅(qū)動設(shè)計：集成驅(qū)動器與柵極驅(qū)動器的區(qū)別

在設(shè)計電機控制電路時，確定如何提供驅(qū)動電機所需的大電流至關(guān)重要。設(shè)計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，并就何時選擇這兩種解決方案提供了指導。

單片驅(qū)動程序

第一種選擇是使用單片驅(qū)動器 IC 來驅(qū)動電機。集成 IC 由封裝中的一個硅芯片組成;該芯片集成了邏輯、支持和保護電路，以及驅(qū)動電流通過電機的 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量的優(yōu)勢。單片 IC 還提供強大的保護功能，例如過流保護 (OCP) 和過熱保護 (OTP)，因為該電路可以放置在硅片上的 MOSFET 附近。

集成驅(qū)動器僅限于與 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)動器可以驅(qū)動高達約 15 A。

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

集成驅(qū)動器的一個示例是MPQ6541，這是一種汽車專用的 3 通道功率級器件。它的額定電源電壓高達 45 V，連續(xù)負載電流為 8 A，或每個通道的峰值電流為 15 A。該電機驅(qū)動器集成了六個 MOSFET，每個 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)來驅(qū)動電流通過電機，并且 MOSFET 通過柵極驅(qū)動器 IC、預驅(qū)動器或多個柵極驅(qū)動器進行控制。

對于需要超過 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，需要一個柵極驅(qū)動器以及分立的 MOSFET。

由于在這種情況下需要多個器件(有時多達三個柵極驅(qū)動器和六個功率 MOSFET)，因此解決方案尺寸(即電機驅(qū)動器占用的 PCB 面積)遠大于單片驅(qū)動器所需的尺寸。

高度集成的柵極驅(qū)動器的一個例子是MPQ6533，這是一款 3 通道柵極驅(qū)動器 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 IC 工藝比專用分立 MOSFET 工藝復雜得多。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。

對于較低電流和/或較低電壓的電機驅(qū)動器，在 IC 工藝中制造 MOSFET 的代價很小。由于控制和保護功能占據(jù)了芯片的很大一部分，因此為 MOSFET 增加的面積不會像使用外部 MOSFET 那樣增加成本。

然而，對于大電流應(yīng)用，IC 工藝中 MOSFET 的成本開始主導器件的成本。盡管有可以支持 15A 電機電流的單片電機驅(qū)動器，但它們通常比使用柵極驅(qū)動器和分立 MOSFET 的實現(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)需要在電機內(nèi)部集成驅(qū)動器，但可用空間很小。在這些情況下，使用柵極驅(qū)動器和 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)動器解決方案的相對成本，我們可以比較單片 IC 加上具有三個雙 MOSFET 和三個電流檢測電阻器的柵極驅(qū)動器 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格。請注意，這些成本基于少量目錄價格;實際批量生產(chǎn)價格通常要低得多。

解決方案大小

單片驅(qū)動器幾乎總是小于使用柵極驅(qū)動器和分立 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，是原來的四倍。請注意，此處顯示的柵極驅(qū)動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，這會進一步增加解決方案的 PCB 面積。

散熱注意事項

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 PCB 具有更好的導熱性，這意味著從散熱的角度來看，更大的解決方案更好。這有利于使用柵極驅(qū)動器的解決方案，因為功率 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)境中運行的應(yīng)用——熱因素可能會排除使用單片驅(qū)動器。

單片驅(qū)動程序采用較小的封裝。為了補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)動器及其較小的尺寸。如果 PCB 設(shè)計正確，則該部分可以驅(qū)動很大的電流。顯示了 MPQ6541 在 5 cm x 5 cm、2 層 PCB 上的溫度，同時為三相無刷電機提供 6 A 電流。測得的外殼溫度比環(huán)境溫度高 38°C。帶有內(nèi)部平面的 4 層 PCB 將進一步降低溫升。

仔細考慮權(quán)衡

在單片電機驅(qū)動器和采用外部 MOSFET 解決方案驅(qū)動電機的柵極驅(qū)動器之間進行選擇很復雜。必須考慮成本、解決方案尺寸和熱特性之間的權(quán)衡。

對于非常小的電機，單片驅(qū)動器是最佳解決方案。同樣，對于非常高功率的電機，應(yīng)使用使用柵極驅(qū)動器和分立 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)計人員在做出選擇時應(yīng)考慮其應(yīng)用的規(guī)格。