單芯片無刷直流散熱微電機驅(qū)動電路綜述

摘要：隨著集成度不斷提高，電子產(chǎn)品越來越小，越來越薄，散熱問題也越發(fā)突出，因此無刷直流散熱微電機被廣泛使用。根據(jù)無刷直流散熱微電機不同應用電壓，分3部分總結(jié)了單芯片無刷直流散熱微電機驅(qū)動電路解決方案。闡述了驅(qū)動電路涉及的軟開關(guān)控制法、電機鎖死檢測與自動重啟、線性及開關(guān)型橋式驅(qū)動、無定位傳感器轉(zhuǎn)子檢測法、電機軟啟動、轉(zhuǎn)速控制等技術(shù)。通過分析現(xiàn)有單芯片驅(qū)動電路方案，展望了無刷直流散熱微電機驅(qū)動電路未來的發(fā)展方向。

1 引言

隨著先進控制理論的應用及半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，功率驅(qū)動組件切換頻率明顯提高，使得驅(qū)動部件功能日益強大，元件越來越少，可靠性顯著提高，無刷直流電機逐漸取代了有刷直流電機的使用領(lǐng)域。尤其是隨著信息和數(shù)字化時代的到來，電子元件集成度越來越高，各種電子產(chǎn)品呈現(xiàn)出輕薄化、小型化的發(fā)展趨勢?？臻g越小，集成度越高，電子產(chǎn)品散熱問題越發(fā)突出，因此無刷直流微電機被廣泛用于電子產(chǎn)品的散熱解決方案。

在電腦中，CPU等電子元器件的發(fā)熱大多采用無刷直流微電機散熱，因此無刷直流微電機用量巨大;現(xiàn)階段盛行的LED照明，由于受限于LED發(fā)光效率，發(fā)熱問題也亟待解決，因此無刷直流散熱微電機也被用于LED照明的散熱。

2 單芯片散熱微電機驅(qū)動電路方案

2.1 低壓5 V驅(qū)動電路控制方案

該類驅(qū)動電路方案主要用在筆記本電腦、平板電腦及各種便攜式設(shè)備中，因此典型工作電壓只有5 V，最低電壓通常要求支持1.8 V。為減小印刷電路板面積，功率驅(qū)動管多采用內(nèi)部集成實現(xiàn)。針對該應用領(lǐng)域主要有以下兩大類芯片。

2.1.1 需要定位傳感器的驅(qū)動控制芯片

該類芯片通過對定位傳感器(在無刷直流散熱微電機中多采用霍爾效應傳感器)給出的位置信息放大處理后控制電子換相器換相。此處以BD6966NUX為例說明，整個控制過程如圖1所示。

圖中H+和H-是定位傳感器給出的轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)運放放大后，控制OUT1和OUT2。在運放內(nèi)部集成了功率驅(qū)動管，放大倍數(shù)由式(1)給出：

UOUT2-UOUT1=-R1(UH+-UH-)/R2 (1)

根據(jù)BD6966NUX規(guī)格書描述，放大倍數(shù)為44.5 dB，約為168倍，因此R1/R2=168。

圖1中當定位傳感器信號UH+>UH-時，運放放大后UOUT1為高電平，UOUT2為低電平，電流由OUT1流向OUT2;當UH+

此外當傳感器信號較弱時，由于運放線性放大作用，輸出波形如圖2所示?；疑珔^(qū)域中傳感器信號幅度小，經(jīng)過168倍放大后在換相點附近驅(qū)動能力線性增加或減少，實現(xiàn)了電機驅(qū)動電流的軟開關(guān)換相，有效降低了電機換相噪聲。

2.1.2 三相無定位傳感器驅(qū)動控制芯片

由于定位傳感器型驅(qū)動芯片存在缺點，故此處采用無定位傳感器驅(qū)動芯片。當前無定位傳感器驅(qū)動芯片多采用三相驅(qū)動方式，通過檢測不通電那一相線圈繞組反向電動勢過零計算出電機驅(qū)動電流換相時機。在LV8800，BH67172及DRV10863中都采用了上述控制方式。

圖3為上述控制方法工作原理。假設(shè)u，v兩相導通，w相繞組線圈浮空且無電流。導通u，v兩相反向電動勢大小相等方向相反，二者之和等于零。而浮空相繞組線圈反向電動勢ew正負變化反映了浮空相過零，因此可采用上述方法檢測電機轉(zhuǎn)子位置，從而確定電機換相時機。

由于三相無定位傳感器型驅(qū)動芯片采用開關(guān)模式而非線性放大，同時無位置傳感器，因此其軟開關(guān)實現(xiàn)方式與定位傳感器型驅(qū)動芯片不同：其根據(jù)反向電動勢過零信息通過數(shù)字電路計算出軟開關(guān)換相區(qū)域，且采用PWM模式進行控制：當電機轉(zhuǎn)子臨近反向電動勢過零點時，提前減小將退出驅(qū)動相的輸出占空比;當電機轉(zhuǎn)子離開過零點后，逐漸增加開始驅(qū)動相的驅(qū)動占空比。采用上述模式換相控制后，退出驅(qū)動相電流逐漸減少，進入驅(qū)動相則逐漸增加。因此換相點附近電機換相力矩平穩(wěn)，能實現(xiàn)電機低噪聲運轉(zhuǎn)。

2.2 電源電壓12 V驅(qū)動電路控制方案

該類方案主要用于個人電腦及各種測試設(shè)備，驅(qū)動功率適中，因此功率驅(qū)動管多采用內(nèi)部集成方式實現(xiàn)。由于電源電壓從4.5～18 V變化，若仍采用低壓應用時的線性放大模式，那么在傳感器信號幅度較低時，換相產(chǎn)生的熱量大，極易損壞驅(qū)動系統(tǒng)，因此多采用開關(guān)型橋式驅(qū)動。代表解決方案有LB11961及EUM6861。該類方案的最大特點是電機轉(zhuǎn)速曲線外部可調(diào)：能自由設(shè)定電機最低轉(zhuǎn)速，同時還能靈活設(shè)定電機轉(zhuǎn)速曲線斜率。電機轉(zhuǎn)速曲線控制示意圖如圖4所示。

圖5詳細分析了調(diào)速原理：當VTH和RMI任一引腳電壓低于CPWM引腳產(chǎn)生的三角波電壓時，輸出信號為高電平，此時集成的功率管驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。RMI引腳設(shè)定電機最低轉(zhuǎn)速，該引腳直流電壓與CPWM引腳三角波信號比較確保輸出有最小驅(qū)動占空比，從而保證電機最低轉(zhuǎn)速。VTH引腳的直流電壓、CPWM三角波及RMI電壓共同控制電機轉(zhuǎn)速曲線斜率。

由于該類方案驅(qū)動電源最高達18 V，之前線性放大軟開關(guān)控制方式，在傳感器信號幅度較低時發(fā)熱大，易造成驅(qū)動芯片損壞，因此當傳感器信號差值小于設(shè)定值時邏輯電路直接將集成的功率橋中上端驅(qū)動管關(guān)斷，同時開啟下端驅(qū)動管，讓負載電機電流采用下端續(xù)流。

2.3 高壓大功率應用解決方案

該類解決方案主要用在服務(wù)器、測試設(shè)備、工業(yè)控制及辦公設(shè)備的散熱系統(tǒng)中。通常驅(qū)動電壓高、驅(qū)動功率大，因此功率管多采用外置方式實現(xiàn)。代表解決方案有LB11967和LB11867。該類方案的特點是驅(qū)動功率大、驅(qū)動電壓高、功率驅(qū)動管外置、外部線路復雜。圖6以LB11 867為例來闡述該類解決方案。在該應用線路中有幾點需要說明：

①應用線路中A框線路設(shè)定電機PWM調(diào)速曲線的斜率，B框控制電機的最低轉(zhuǎn)速;②電阻Rsense用于設(shè)定流過功率管的最大驅(qū)動電流，Rse nse越大，功率驅(qū)動管能流過的電流越小;③電阻R1，R2取值越大，外置功率管柵源電壓越大，導通電阻越小(不超過柵源耐壓值)，發(fā)熱越小，驅(qū)動效率也越高;④C5設(shè)定軟啟動時間。C5越大啟動時間越長，啟動瞬間電流越小。但C5不宜過大，過大時散熱電機有可能還未正常啟動就直接進入鎖定狀態(tài)，因此C5取值應根據(jù)電機特性優(yōu)化。

圖7詳細分析了軟啟動實現(xiàn)原理：驅(qū)動芯片上電或散熱電機鎖定時，S-S引腳(接C5電容)會強行拉高至比CPWM引腳三角波電壓高，當鎖定保護和上電動作完成后，S-S引腳電壓會被強行拉低至CPWM三角波電壓高點，然后釋放。由于S-S引腳外接有C5，在芯片內(nèi)部電流沉作用下緩慢放電，放電斜率由C5和S-S引腳電流沉電流(規(guī)格書上標注為0.5μA)決定。

3 結(jié)論

隨著科技的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品呈現(xiàn)輕薄化、小型化的發(fā)展趨勢，單芯片無刷直流散熱微電機驅(qū)動電路發(fā)展新方向主要有：①內(nèi)置定位傳感器驅(qū)動電路。采用標準半導體工藝，單芯片集成定位傳感器。如能實現(xiàn)上述設(shè)計，將大大減少驅(qū)動芯片引腳，減少外圍器件，縮短系統(tǒng)工程師設(shè)計周期，同時還能減少電機驅(qū)動電路板面積，有利于電機小型化和輕薄化;②單芯片精確設(shè)定電機轉(zhuǎn)速。當前無刷直流散熱微電機驅(qū)動芯片多采用PWM方式控制電機轉(zhuǎn)速，且多為開環(huán)控制方式。由于電機轉(zhuǎn)速不會隨PWM占空比完全線性變化，因此很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)速精準控制。當前為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制需使用微控單元，這大大增加了成本，因此采用閉環(huán)PWM控制方式實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的精確控制必將是未來的發(fā)展方向;③低電源電壓驅(qū)動芯片。當前系統(tǒng)復雜程度越來越高，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)供電電壓越來越低，因此低電壓工作如1.5 V，甚至1.2 V電機驅(qū)動芯片會是后續(xù)發(fā)展的又一方向。為實現(xiàn)低電壓驅(qū)動，除設(shè)計時采用低電壓驅(qū)動電路架構(gòu)外，還需選用低閾值電壓半導體工藝進行電路整合。