【应用】瑞萨推出智能栅极驱动器BLDC电机控制方案助力吸尘器攻克难关，可满足小体积、长寿命等需求

时间： 2022-04-23 来源：Renesas

技术问答

随着人们健康意识的提高，智能清洁电器越来越普及，用户对吸尘器的体积、功率、便携性等的要求也在逐渐提高，尤其是无线吸尘器。

然而市场上的吸尘器电机大多以串激交流电机和永磁直流有刷电机为主，这两类电机的使用寿命与碳刷息息相关：寿命短、体积大、重量大并且效能低，并不能很好地满足市场需求。再加上电池的影响，吸尘器想要“甩掉辫子”并不容易。

基于吸尘器对电机小体积、重量轻、长寿命、高性能的新需求，无刷直流电机（BLDC）寿命长、易于控制的特点则很好地满足了吸尘器设计中多应用集成的需求，也为个性化的吸尘器设计提供了更多的可能。

• BLDC电机的高效率体现在可以控制它的回旋力（扭矩），使其始终保持最大值；因此，BLDC电机可以丝毫不差地得到需要的扭矩和旋转数等，通过精确地控制来抑制电机的发热和电力消耗。若是电池驱动，则能通过周密的控制，延长驱动时间。除此之外，还有耐用、电气噪音小等特点。

• 用于工业应用的BLDC电机旨在提供受保护的高效小型解决方案，其中三相桥式开关电路是核心，其控制通常使用微控制器（MCU）或其他ASIC来协调其开关，以满足精确的开关计时要求。这可能会带来挑战，因为大多数MCU输出并没有针对驱动功率晶体管进行优化。因此，通过更快地对栅极电容进行充放电来缩短过渡期的持续时间是有好处的。栅极驱动器是一个用于放大来自微控制器或其他来源的控制信号，从而使其适应半导体开关高效运行的电路。

• 对电机精准控制及其后续调整对MCU的要求较高，这对死区时间和输入信号的可变性也有一定要求。瑞萨RENESAS给到的解决方案是：智能栅极驱动器BLDC电机控制。

系统优势

• 允许采用极简MCU，无需三相耦合的S/H电路进行电流传感；

• PWM的输入信号仅由PWM_hi信号组成，拥有可调死区时间的PWM_lo由栅极驱动器生成；

• 广泛的电机功能：电压5~60V，电流最大2A。

系统框图

目标应用

• 通风机/风机

对于通风机和风机而言，改变通风机的风量和风压，以满足使用工况变化的要求，称为性能调节。常用的调节方法中，就经济性能而言，改变通风机转速的这种方法较好，但比较复杂。改变转速时需考虑叶轮强度和电动机负荷条件。

• 真空吸尘器

真空吸尘器的电机上附有风扇，电动抽风机通电后高速运转，使吸尘器内部形成瞬间真空，内部的气压大大低于外界的气压，在这个气压差的作用下，尘埃和脏东西随着气流进入吸尘器桶体内，再经过集尘袋的过滤，尘垢留在集尘袋，净化的空气则经过电动机重新逸入室内，起到冷却电机、净化空气的作用。

• 加热器系统

随着电力电子技术和BLDC电机的发展，加热器系统逐渐从“交流变频”变为“直流变频”。现在的超高压直流输变电输电过程中，因为在功率一定的条件下，电流越大损耗越大，“超高压-直流”可以达到节能、环保的目的。

组合元件

• RAA227063是一款智能栅极驱动器IC，适用于BLDC电机应用。它集成了三个半桥智能栅极驱动器，能够驱动多达三个N沟道的MOSFET桥，并支持4.5~60V的桥式电压。每个栅极驱动器支持高达1A的源极电流和2A的灌电流峰值驱动电流，并具有可编程的驱动强度控制。

RAA227063实现了可调节和自适应死区时间，以确保稳健性和灵活性。有源栅极保持机制可防止米勒效应引起的交叉传导，并进一步增强鲁棒性。

• MOSFET适用于开关（电机驱动等）和负载开关应用，低导通电阻、高速开关和高鲁棒性。

• RA2E1产品群是RA系列的入门级单芯片微控制器，其基于48MHz Arm^® Cortex^®-M23内核，具有高达128kB的代码闪存以及16kB的SRAM。这款产品采用优化的制程和瑞萨电子的低功耗工艺技术，是业界一流水平的超低功耗微控制器。RA2E1产品支持1.6~5.5V的宽工作电压范围和多种封装，如LQFP、QFN、LGA、BGA和WLCSP。RA2E1可与RA2L1产品群引脚和外围设备兼容，特别适用于电池供电应用和空间受限应用，以及其他需要高性能和低功耗的系统。

本方案为电机应用提供了更多可能性，将实用性与便携性相统一，助力进一步扩大相应市场。

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