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

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)所需的高電流至關(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)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并提供了何時(shí)選擇任一解決方案的指導(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)電流通過電機(jī)的功率器件(例如 MOSFET)。

由于單片解決方案中的 MOSFET 與控制電路制造在同一芯片上，因此這些解決方案具有精確電流測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。單片 IC 還提供強(qiáng)大的保護(hù)功能，例如過流保護(hù) (OCP) 和過溫保護(hù) (OTP)，因?yàn)樵撾娐房梢苑胖迷诳拷杵?MOSFET 的位置。

集成驅(qū)動(dòng)器僅限于與 IC 工藝兼容的電壓和電流額定值，這意味著最高可用電壓額定值在 80 V 至 100 V 之間。此外，這些驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)高達(dá)約 15 A 的電流。

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

MPQ6541是集成驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)示例，它是一款汽車專用的 3 通道功率級(jí)器件。其額定電源電壓高達(dá) 45 V，連續(xù)負(fù)載電流為 8 A，或每通道峰值電流為 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)均為 15 mΩ。它采用 TQFN-26、6 mm x 5 mm 倒裝芯片封裝。

圖 1該框圖突出顯示了集成驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。

圖 1顯示了 MPQ6541 的框圖。請(qǐng)注意，它集成了每個(gè)通道的電流測(cè)量。這樣就不再需要大型且昂貴的電流檢測(cè)電阻器或電流檢測(cè)放大器。

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)來驅(qū)動(dòng)電流通過電機(jī)，并且 MOSFET 通過柵極驅(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 100 V 的高電壓或極高電流的應(yīng)用，不存在單片解決方案。在這些情況下，需要柵極驅(qū)動(dòng)器以及分立 MOSFET。

由于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)比單片驅(qū)動(dòng)器所需的尺寸大得多。

MPQ6533就是高度集成柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)示例，它是一款 3 通道柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，具有轉(zhuǎn)換速率控制和內(nèi)部診斷功能等集成功能。該器件采用 5 mm x 5 mm QFN-32 封裝。

圖 2該框圖突出顯示了柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。

圖 2顯示了 MPQ6533 的框圖。請(qǐng)注意，該解決方案需要六個(gè)功率 MOSFET。通常，使用三個(gè)雙MOSFET(兩個(gè)MOSFET一起封裝在一個(gè)IC封裝中)。

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的器件。器件采用專用分立 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，因此增加 MOSFET 的面積不會(huì)像使用外部 MOSFET 那樣增加成本。

然而，對(duì)于高電流應(yīng)用，IC 工藝中 MOSFET 的成本開始主導(dǎo)器件成本。盡管有可支持 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)器加分立 MOSFET 的實(shí)施方案更昂貴。

在某些情況下，小尺寸的整體部件的價(jià)值如此之高，以至于需要更昂貴的解決方案。例如，某些系統(tǒng)需要在電機(jī)內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器，而可用空間很小。在這些場(chǎng)景中，使用柵極驅(qū)動(dòng)器加 MOSFET 的解決方案可能根本不適合有限的空間。

為了大致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)電阻的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的成本。兩種解決方案之間的其他支持組件(例如旁路電容器)的價(jià)格相似。請(qǐng)注意，這些成本基于低數(shù)量目錄價(jià)格;實(shí)際批量生產(chǎn)的價(jià)格通常要低得多。

表 1顯示了專用單片 IC 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 之間的成本比較。

表 1顯示了專用單片 IC 和具有分立 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 之間的成本比較。

解決方案尺寸

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，我們可以將 MPQ6541 與帶有附加功率 MOSFET 的 MPQ6533 占用的 PCB 面積進(jìn)行比較(圖 3)。兩個(gè)部件的尺寸差別很大，MPQ6541 的尺寸為 130 mm 2，MPQ6533 的尺寸為 520 mm 2，大了四倍。請(qǐng)注意，此處所示的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案使用小型封裝中的雙 MOSFET;在其他情況下，MOSFET 可以更大，這進(jìn)一步增加了解決方案的 PCB 面積。

圖 3顯示了專用單片 IC 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 之間的尺寸比較。

散熱考慮

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)境下運(yùn)行的應(yīng)用)，熱考慮因素可能會(huì)妨礙使用單片驅(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。

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，該部件可以驅(qū)動(dòng)很大的電流。圖 4顯示了向三相無刷電機(jī)提供 6A 電流時(shí) MPQ6541 在 5 cm x 5 cm 2 層 PCB 上的溫度。測(cè)得的外殼溫度比環(huán)境溫度高出 38°C。具有內(nèi)部平面的 4 層 PCB 將進(jìn)一步降低溫升。

圖 4單片驅(qū)動(dòng)器的熱圖像突出顯示了溫度條件。

仔細(xì)考慮權(quán)衡

表 2總結(jié)了集成驅(qū)動(dòng)器解決方案和柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案之間的主要區(qū)別。

表 2零件比較突出了專用單片 IC 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 之間的主要差異。

在單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和具有外部 MOSFET 解決方案來驅(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)器是最好的解決方案。同樣，對(duì)于非常高功率的電機(jī)，應(yīng)使用采用柵極驅(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。