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[導(dǎo)讀]摘要:隨著集成度不斷提高,電子產(chǎn)品越來(lái)越小,越來(lái)越薄,散熱問(wèn)題也越發(fā)突出,因此無(wú)刷直流散熱微電機(jī)被廣泛使用。根據(jù)無(wú)刷直流散熱微電機(jī)不同應(yīng)用電壓,分3部分總結(jié)了單芯片無(wú)刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路解決方案。闡

摘要:隨著集成度不斷提高,電子產(chǎn)品越來(lái)越小,越來(lái)越薄,散熱問(wèn)題也越發(fā)突出,因此無(wú)刷直流散熱微電機(jī)被廣泛使用。根據(jù)無(wú)刷直流散熱微電機(jī)不同應(yīng)用電壓,分3部分總結(jié)了單芯片無(wú)刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路解決方案。闡述了驅(qū)動(dòng)電路涉及的軟開(kāi)關(guān)控制法、電機(jī)鎖死檢測(cè)與自動(dòng)重啟、線性及開(kāi)關(guān)型橋式驅(qū)動(dòng)、無(wú)定位傳感器轉(zhuǎn)子檢測(cè)法、電機(jī)軟啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速控制等技術(shù)。通過(guò)分析現(xiàn)有單芯片驅(qū)動(dòng)電路方案,展望了無(wú)刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路未來(lái)的發(fā)展方向。

1 引言

隨著先進(jìn)控制理論的應(yīng)用及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,功率驅(qū)動(dòng)組件切換頻率明顯提高,使得驅(qū)動(dòng)部件功能日益強(qiáng)大,元件越來(lái)越少,可靠性顯著提高,無(wú)刷直流電機(jī)逐漸取代了有刷直流電機(jī)的使用領(lǐng)域。尤其是隨著信息和數(shù)字化時(shí)代的到來(lái),電子元件集成度越來(lái)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(shì)??臻g越小,集成度越高,電子產(chǎn)品散熱問(wèn)題越發(fā)突出,因此無(wú)刷直流微電機(jī)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(wú)刷直流微電機(jī)散熱,因此無(wú)刷直流微電機(jī)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(wèn)題也亟待解決,因此無(wú)刷直流散熱微電機(jī)也被用于LED照明的散熱。

2 單芯片散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案

2.1 低壓5 V驅(qū)動(dòng)電路控制方案

該類驅(qū)動(dòng)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(dòng)管多采用內(nèi)部集成實(shí)現(xiàn)。針對(duì)該應(yīng)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(dòng)控制芯片

該類芯片通過(guò)對(duì)定位傳感器(在無(wú)刷直流散熱微電機(jī)中多采用霍爾效應(yīng)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(shuō)明,整個(gè)控制過(guò)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(yùn)放放大后,控制OUT1和OUT2。在運(yùn)放內(nèi)部集成了功率驅(qū)動(dòng)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(shū)描述,放大倍數(shù)為44.5 dB,約為168倍,因此R1/R2=168。

圖1中當(dāng)定位傳感器信號(hào)UH+>UH-時(shí),運(yùn)放放大后UOUT1為高電平,UOUT2為低電平,電流由OUT1流向OUT2;當(dāng)UH+

此外當(dāng)傳感器信號(hào)較弱時(shí),由于運(yùn)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(hào)幅度小,經(jīng)過(guò)168倍放大后在換相點(diǎn)附近驅(qū)動(dòng)能力線性增加或減少,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的軟開(kāi)關(guān)換相,有效降低了電機(jī)換相噪聲。

2.1.2 三相無(wú)定位傳感器驅(qū)動(dòng)控制芯片

由于定位傳感器型驅(qū)動(dòng)芯片存在缺點(diǎn),故此處采用無(wú)定位傳感器驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)前無(wú)定位傳感器驅(qū)動(dòng)芯片多采用三相驅(qū)動(dòng)方式,通過(guò)檢測(cè)不通電那一相線圈繞組反向電動(dòng)勢(shì)過(guò)零計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流換相時(shí)機(jī)。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(dǎo)通,w相繞組線圈浮空且無(wú)電流。導(dǎo)通u,v兩相反向電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)ew正負(fù)變化反映了浮空相過(guò)零,因此可采用上述方法檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,從而確定電機(jī)換相時(shí)機(jī)。

由于三相無(wú)定位傳感器型驅(qū)動(dòng)芯片采用開(kāi)關(guān)模式而非線性放大,同時(shí)無(wú)位置傳感器,因此其軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方式與定位傳感器型驅(qū)動(dòng)芯片不同:其根據(jù)反向電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信息通過(guò)數(shù)字電路計(jì)算出軟開(kāi)關(guān)換相區(qū)域,且采用PWM模式進(jìn)行控制:當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨近反向電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí),提前減小將退出驅(qū)動(dòng)相的輸出占空比;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子離開(kāi)過(guò)零點(diǎn)后,逐漸增加開(kāi)始驅(qū)動(dòng)相的驅(qū)動(dòng)占空比。采用上述模式換相控制后,退出驅(qū)動(dòng)相電流逐漸減少,進(jìn)入驅(qū)動(dòng)相則逐漸增加。因此換相點(diǎn)附近電機(jī)換相力矩平穩(wěn),能實(shí)現(xiàn)電機(jī)低噪聲運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 電源電壓12 V驅(qū)動(dòng)電路控制方案

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

圖5詳細(xì)分析了調(diào)速原理:當(dāng)VTH和RMI任一引腳電壓低于CPWM引腳產(chǎn)生的三角波電壓時(shí),輸出信號(hào)為高電平,此時(shí)集成的功率管驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。RMI引腳設(shè)定電機(jī)最低轉(zhuǎn)速,該引腳直流電壓與CPWM引腳三角波信號(hào)比較確保輸出有最小驅(qū)動(dòng)占空比,從而保證電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速曲線斜率。

由于該類方案驅(qū)動(dòng)電源最高達(dá)18 V,之前線性放大軟開(kāi)關(guān)控制方式,在傳感器信號(hào)幅度較低時(shí)發(fā)熱大,易造成驅(qū)動(dòng)芯片損壞,因此當(dāng)傳感器信號(hào)差值小于設(shè)定值時(shí)邏輯電路直接將集成的功率橋中上端驅(qū)動(dòng)管關(guān)斷,同時(shí)開(kāi)啟下端驅(qū)動(dòng)管,讓負(fù)載電機(jī)電流采用下端續(xù)流。

2.3 高壓大功率應(yīng)用解決方案

該類解決方案主要用在服務(wù)器、測(cè)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(dòng)電壓高、驅(qū)動(dòng)功率大,因此功率管多采用外置方式實(shí)現(xiàn)。代表解決方案有LB11967和LB11867。該類方案的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率大、驅(qū)動(dòng)電壓高、功率驅(qū)動(dòng)管外置、外部線路復(fù)雜。圖6以LB11 867為例來(lái)闡述該類解決方案。在該應(yīng)用線路中有幾點(diǎn)需要說(shuō)明:

①應(yīng)用線路中A框線路設(shè)定電機(jī)PWM調(diào)速曲線的斜率,B框控制電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速;②電阻Rsense用于設(shè)定流過(guò)功率管的最大驅(qū)動(dòng)電流,Rse nse越大,功率驅(qū)動(dòng)管能流過(guò)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(dǎo)通電阻越小(不超過(guò)柵源耐壓值),發(fā)熱越小,驅(qū)動(dòng)效率也越高;④C5設(shè)定軟啟動(dòng)時(shí)間。C5越大啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng),啟動(dòng)瞬間電流越小。但C5不宜過(guò)大,過(guò)大時(shí)散熱電機(jī)有可能還未正常啟動(dòng)就直接進(jìn)入鎖定狀態(tài),因此C5取值應(yīng)根據(jù)電機(jī)特性優(yōu)化。

圖7詳細(xì)分析了軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理:驅(qū)動(dòng)芯片上電或散熱電機(jī)鎖定時(shí),S-S引腳(接C5電容)會(huì)強(qiáng)行拉高至比CPWM引腳三角波電壓高,當(dāng)鎖定保護(hù)和上電動(dòng)作完成后,S-S引腳電壓會(huì)被強(qiáng)行拉低至CPWM三角波電壓高點(diǎn),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(shū)上標(biāo)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(shì),單芯片無(wú)刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)展新方向主要有:①內(nèi)置定位傳感器驅(qū)動(dòng)電路。采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝,單芯片集成定位傳感器。如能實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì),將大大減少驅(qū)動(dòng)芯片引腳,減少外圍器件,縮短系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)周期,同時(shí)還能減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板面積,有利于電機(jī)小型化和輕薄化;②單芯片精確設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)前無(wú)刷直流散熱微電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片多采用PWM方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,且多為開(kāi)環(huán)控制方式。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨PWM占空比完全線性變化,因此很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制。當(dāng)前為實(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制必將是未來(lái)的發(fā)展方向;③低電源電壓驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)前系統(tǒng)復(fù)雜程度越來(lái)越高,為降低系統(tǒng)功耗,系統(tǒng)供電電壓越來(lái)越低,因此低電壓工作如1.5 V,甚至1.2 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)是后續(xù)發(fā)展的又一方向。為實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng),除設(shè)計(jì)時(shí)采用低電壓驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)外,還需選用低閾值電壓半導(dǎo)體工藝進(jìn)行電路整合。

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