【经验】芯进电子CC6420单相正弦波直流无刷马达驱动应用及设计指南

时间： 2020-06-06 来源：芯进电子

技术问答

CC6420是成都芯进电子推出的一款单相正弦波直流无刷马达驱动。

基本参数特性
· 内置可调增益高灵敏度霍尔传感器
· 效率高，采用控制专利技术实现零电流换相（ZCS）和零磁场换相（ZBS）
· 噪声低，采用SVPWM 技术实现对电机的正弦波控制，降低了电磁噪声
· PWM 调速带最小转速设定
· 驱动能力强，RDSON 为1.5 欧姆，最高可达450mA
· 工作电压范围宽，3.5V to 18V
· RD 报警和FG 计数功能可选
· 保护功能强，电源反接保护，过热保护，锁转保护，H 桥限流保护
· 根据环境磁场强度自适应增益控制
· 智能软启动，降低电机启动电流，降低对电源的冲击
· 转速曲线可配置

CC6420单相正弦波直流无刷马达驱动应用指南

1. 感应点Layout 位置
CC6420 是基于线性霍尔的方案原理，芯片需要实时采样当前磁条的强度，调整AGC 的增益，输出相对应占空比的SVPWM 信号。因此，芯片对感应点在PCB 上的位置有一定的要求。

1.1 感应点应位于轴心至矽钢片大头的直线上。
1.2 感应点应尽量放置在磁条的投影面上，如果因为结构的限制，因尽量靠近磁条的投影面。

2. EMI 相关

2.1 增加磁珠L1 & L2 有利于风扇满足的EMI 辐射要求，为了避免磁珠电流饱和，额定电流应越大越好，建议3-5 倍工作电流。

3. PWM 引脚
R1 的取值不宜过大或过小，R1 将有助于过滤掉PWM 信号上的尖峰毛刺，阻值太小，效果不好；阻值也不能够过大，当风扇外接线材过长时，与分布电容将形成RC 滤波，在PWM 频率较高时，信号的占空比以及幅值会失真，造成风扇的转速与预设的占空比不符合。如遇见此情况时，请用示波器监测PWM 引脚上的波形，波形应比较干净，且无信号失真。

PWM 引脚内部有10KΩ的上拉电阻，外部可以输入的信号可以是开漏信号，也可以是数字信号(VIL 范围为0-0.4V，VIH 范围为2.1-5.5V)。输入信号的峰值超过5.5V 时，必须使用电阻分压衰减的方式，将信号的幅值控制在5.5V 以内。

4. FG/RD 引脚
CC6420 的2 脚可根据需要选配为FG/RD 信号，该输出为开漏输出，极限耐受电压为18V，极限输出电流为30mA。不得使用该引脚直接驱动外部电压高于18V 的电路，也不得去控制电流大于30mA 的功率电路。因FG/RD 引脚直接对外输出，建议该引脚串联一定的电阻之后，再对外输出。当外部发生异常时，将起到保护芯片的作用，减少损坏的事件。

当外部需要电压信号时，可在VDD 和FG/RD 引脚之间接适当的电阻即可。

特殊应用场景：风扇需要最低转速，同时要能够完全停机，并且FG/RD 信号又对外输出。

在VDD 上加PMOS 或者PNP 三极管等方式来控制VDD 的关断，不得使用NPN/NMOS 等方式来关断风扇的GND 地线。芯片内部有电路，当GND 回路关断时，从VDD->FG/RD 引脚会形成电流回路。

5. VDD & GND 引脚
VDD 和GND 为芯片的电源引脚，在H 桥断开时，线圈电感上的反向电压也会馈入该引脚。

不得在GND 回路中串接任何元件，如0Ω电阻、磁珠等。

不得在VDD 回路中串接二极管，将不利于突波电压的吸收；也不得在VDD 回路中串接0Ω电阻，因为0Ω电阻的寄生电感的影响，也不利于突波电压的吸收。

得益于SVPWM 的正弦波特性，芯片将会零电流换相（ZCS）和零磁场换相（ZBS），突波电压会比较小。在每一个SVPWM 调制中，H 桥在断开瞬间，线圈电感上的电流不可突变，仍会产生一定的突波电压，请在芯片的VDD 和GND 引脚上根据线圈总电流加上适当的电容，一般来说，电流越大，需要的电容值越大，2.2～4.7uF 的瓷片电容即可吸收掉该突波电压。

当风扇出现以下不良情况时，需要考虑芯片电源是否受到高频干扰：
5.1、当工作电压较低时，芯片进入方波工作状态（输出引脚持续输出高电平，而不是PWM 波输出）。

5.2、FG 信号每隔15 个丢失一个（可能导致终端客户在应用中，转速检测值比风扇实际转速值低）。

5.3、FG 信号输出边沿有很多毛刺（可能导致终端客户在应用中，转速检测值比风扇实际转速值高）。
通常，在芯片VDD 和GND 引脚直接并联一颗容值较小的高频去耦电容来滤除电源中的高频干扰，可以有效解决上述不良现象，该电容通常选取0.1uF 的陶瓷电容。在PCB 布局布线时，应将该高频去耦电容尽可能靠近芯片放置，并使用最短最粗的铜箔连接该电容至芯片VDD 和GND 引脚。

在大多数情况下，CC6420 芯片具有良好的抗干扰能力，即使在没有高频去耦电容的情况下，亦可保证芯片正常工作，是否并联该电
容需要通过样机实测来确定。根据经验，当芯片工作电压低于6V 时，芯片容易受到电源中高频干扰可能会导致上述不良情况发生，因此，建议客户在PCB 设计时可预留该电容位置，以方便风扇后续调试。

6. OUT1 & OUT2 引脚
OUT1 和OUT2 引脚接到线圈的两端L1 & L2，将控制线圈产生正确的磁场，推动风扇持续旋转。在应用时，应将OUT1、L1 – L2、OUT2 该环路面积约小越好，这样风扇对外释放的电磁辐射将会降低。另外，在线圈的一端——如L1 和OUT1 之间串接一颗磁珠，也能吸收掉对外的电磁辐射能量。

7. VREF 引脚

该引脚为内部基准对外输出引脚，模拟电路部分要以基准电压作为信号处理的基础。VREF 若被拉低到1V，整个芯片工作都会不正常的。

8. 调速曲线的设置
上图为CC6420VREF 引脚以及MINSP 引脚，调整转速曲线的原理框图

8.1 仅使用最低转速的场景。
在仅使用最低转速的场景下，R3 悬空不焊接，R5+R4 的阻值之和必须大于100KΩ，建议将R4 固定为100KΩ，除非R5 在标准电阻阻值无法选择合适的阻值时，可酌情修改。

CC6420 可以通过外置电阻R5 和R4 对最低转速进行配置。芯片通过采样7 脚MINSP 引脚上的电压来确定风扇的最低转速，7 脚上的电压越低，则最低转速越小；反之亦然。

当R5 开路时，MINSP 引脚上的电压为0V,无最低转速功能；当R5 短路时，MINSP 引脚上的电压为2.5V,风扇会一直维持在全速运行状态，不受PWM 信号控制。

最低转速配置精度为32 级，即最低转速的设置分辨率约为0%、3%、6%……

8.2 仅使用转速斜率的场景。
通过设置VREF 引脚上的负载电阻R3，即可改变基准的输出电流，内部1：1 的电流镜像源会基准电阻上产生电压，此电压与内部四个基准电压REF1～4 做比较，将输出4 个转速斜率的数字信号。

通过设置不同的负载电阻，可使低PWM 输入时，转速更低，满足不同的转速曲线要求。

8.3 同时使用最低转速和转速斜率的场景。
以上图中的转速曲线举例，某特定的转速曲线要求：
(一) 最大转速3000RPM，
(二) 占空比60%时，转速要求在2000RPM 以下，
(三) 占空比40%时，转速又要求达到1000RPM。

此时，为了达到条件二的要求，必须选择【曲线d】，将起速时的PWM 占空比设置为30%，选择R3 = 2.2k；然而在占空比40%时，转速又低于1000RPM，此时需要将最低转速设置为33%。将R4 固定为100K，R5 约等于200k。

注意：最低转速仅仅与7 脚MINSP 的电压呈正向关系，并非呈比例关系，往往需要根据实际转速重新调整R5 的阻值。

9. 模拟调速
CC6420 不仅可以通过PWM 进行数字调速，还可以通过MINSP 引脚上的电压进行模拟调速，有效电压范围为0-2.5V。
原理如下图所示：

PWM 强制拉到地时，风扇的转速仅受7 脚MINSP 上的电压所控制。

当调速电压范围是0～2.5V 时，R4 悬空不接。
当调速的电压范围超过2.5V 时，必须通过R5 和R4，将电压衰减到7 脚能承受的最大电压范围，并且留一定设计冗余。
当调速电压范围启动电压不为0V 时，如1～5V 时，在T1 和R5 之间串接合适的二极管或稳压二极管将电压降低，再设置R5 与R4的比值，将分压最大值设置在2.5V 即可。

10. 感应距离
芯片距离磁条的间隙不得过大，磁条的强度不得过小，否则内部的自动增益调整电路，调整为最大增益时，OUT1&OUT2 最大占空比也无法达到100%的占空比。此时，应将芯片与磁条之间的间隙减小，或者更换磁场强度更大的磁条。

11. 启动 & 堵转重启特性
CC6420 有智能软启动功能，软启动可以消除电机启动时的尖峰电流，提高系统可靠性。启动状态下，输出信号的占空比从25%逐步增加，每100ms 占空比增加5%，启动时间最长0.5s，在此阶段，不受外部PWM 及MINSP 电压控制。

启动状态期间，CC6420 检测环境的磁场强度，进行自适应增益调整。当启动周期完毕时，转速检测电路会检测风扇是否达到规定的转速；如果达到该阈值，则自适应调整完成后，进入正弦波工作状态。如果速度未达到，则再次重启，直到转速达到该阈值，确保风扇的可靠启动。

12. 电流波形
12.1 测试电路如下，工作电压12V，电流430mA，电容C1/C2的取值不同。

12.2 C1 不接，C2 = 4.7μF /25V，X5R/X7R。

结论：对于6420 单相正弦波风扇驱动芯片来说，使用4.7μF /25V，X5R/X7R 的陶瓷电容或者10μF /25V 电解电容，均能够有效的滤掉SVPWM 斩波时的高频噪音。

13. 波形差异

通过上图，能够看出6420 的线圈电流波形并不完全相等，也不完全符合正弦波的波形。6420 在调制SVPWM 时，依据的是风扇磁条的磁场强度。磁条的充磁不完全相同，四个磁极的强度不同，波形肯定会有一些失真以及变形。

14. 载带信息
请注意CC6420SO 的载带信息，芯片的1 脚，面向圆盘的轴心方向，在印制板Layout 时，必须考虑到SMT 的细节，否则大批量生产时，将无法做到SMT 加工。

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