【技术大神】将BLDC电机与锂离子电池集成在三相电机应用中的设计注意事项

随着用于延长运行时间的无刷电机和锂离子电池的引入，采用电池给电机供电来驱动的设备产品市场在快速增长。 传统市场中正在升级到这些新设备的例子，包括电动工具（电钻、电锯、鼓风机等），小型电动车辆（电动自行车、轮椅等）和不间断电源等。这些新一代产品还需要经过升级的MOSFET桥驱动器 ，利用这些新特性来减少集成锂离子电池的无刷直流电机（BLDC）带来的相关问题。

升级到锂离子和无刷直流电动机
锂离子电池的高能量密度比镍镉电池、镍氢电池或铅酸电池等其它电池技术具有明显的优势。通常情况下，锂离子的能量密度是其它电池技术的两到三倍。更高的能量密度就意味着可以用更小的电池组，应用在更轻、更紧凑的手持工具中。此外，可以不增加原电池的大小和重量前提下而获得更长的工作时间，如电动自行车和轮椅上将是一个很好的应用。

但锂离子能量密度的增加并非没有应用上的问题。不像我们通常认为的电池那样，锂离子电池不是电压源。 在采用PWM驱动电机时,锂离子电池的内部电感（100-500nH）会导致相当大的纹波电压。简单而明了的解决方案是在MOSFET桥上增加足够的电容，但外壳的限制或者成本的压力可能是令人望而却步的。

除了空间紧，PCB轮廓的限制也是许多电池驱动手持工具的一个重要问题。而在这些应用中，只在MOSFET桥上增加最小的电容，就会导致在桥上产生显著的电压纹波。 带有最小电容的MOSFET桥，一个典型的18-20V锂离子电池在重负载下的电池纹波谷值为5V，峰值为36V。另外，还需要考虑的是，在过载情况下如堵转，电池电压将下降到非常低的值。在这些示例中，应该是控制器而不是驱动器 来决定如何对这些严重的运行条件作出反应。

使用无刷直流电动机有几种动机。无刷直流电动机的最大转速主要由转子的结构所限制，而有刷直流电动机的转速主要受电刷本身的限制。在大多数应用中，使用齿轮减速的变速器可将电动机的转速降低到应用所需的转速。由于无刷直流电机的转速比有刷直流电机快很多倍，所以可以用一个较小尺寸的无刷直流电动机和相应的齿轮传动比产生相同的转速，并对产品的输出施加转矩。另一个明显的优点是消除了碳刷磨损和显著的电磁干扰。对于增加的运行时间，无刷直流电动机的一个显著优点是比类似的有刷直流电动机效率更高，通常是其1.5倍或者更高。

无刷直流电动机也有它自己的应用问题，主要是其驱动电路额外复杂。在单向有刷电机驱动应用中，只需要一个MOSFET桥电路。在双向有刷电机驱动中，需要两个MOSFET桥电路。但是，即使是单向应用，无刷直流电动机也需要三个桥电路。这种增加的复杂程度，需要体积更小或功能更强的集成电路，以减少元件数量，BOM成本等，特别是在空间受限的应用。

 
图1 单向电机驱动电路

 
图2 双向电机驱动电路

 
图3 三相无刷直流电动机驱动电路

电池驱动类电机的桥驱动器的理想特性
 • 由于许多电机驱动应用需要提供桥驱动器和控制器（通常是DSP或微控制器）相对较低的偏置电流，因此需要集成带有使能输入的线性稳压器（LDO）到驱动桥中，12V_DD给桥驱动器，3.3V_CC给控制器。
 • 给LDO使能输入的机械开关要有防抖的必要，这样可以确保LDO无抖动开通。
 • 超低静态电流，以尽量减少电池消耗是非常必要的。理想情况下，当桥电压出现而应用程序没有运行时，这时可以通过睡眠模式来实现，从而可以安全的关闭驱动器。
 • 不间断的桥只需5V电池电压，4.2V欠压锁定。传统的桥式驱动器UVLO通常在7.5V。
 • 对相位节点（HS）中负瞬变的抗干扰是鲁棒特性所必需的。电机驱动的趋势已经变为FET桥中更高等级的开关电流（＞200A）。随着高开关电流和非最佳PCB轮廓的限制，HS引脚上由PCB寄生电感引起的负瞬变最小化是一个PCB设计难题。
 • 在许多应用中用可能的最小封装去尽量减少板空间是很有必要的。小封装也可以让驱动器紧挨着旁边的场效应管，一定程度缓解没有最佳PCB布局带来的相关问题。
 • 为了可靠运行，驱动器的额定桥电压应高达50V,电池电压应高达36V。

用于电机驱动的半桥驱动器解决方案
RENESAS的子公司Intersil的HIP2103和HIP2104半桥驱动器提供以上所有功能。HIP2103像一个典型的半桥驱动器，结合了高、低侧FET桥所需的独立的逻辑电平输入（LI和HI）。相位节点 （HS）额定值为-10V，来适应不是最佳的PCB设计。建议的最大桥工作电压为50V，来方便适应一个瞬态高于正常值的36V电池。 当低压谷瞬变存在，欠压锁定为 4.2V时,保证驱动器正常工作不被中断。

当电机驱动不工作时，为了减少电池放电，HIP2103还集成了一个睡眠模式功能。为了保持HIP2103使用最小的8引脚封装，睡眠模式是通过设置LI和HI输入高电位且时长超过20μs 。要取消睡眠模式，LI输入设置高电位而HI输入设置为低电位且时长超过20μs.这是一个正常的启动顺序，以确保自举电容充电早于正常操作设置HI输入。内部逻辑可防止使用睡眠模式时，高侧和低侧FET的桥被同时打开 。然而，死区时间仍然必须由控制器提供，以防止当一个FET桥关断而另一个打开击穿。

睡眠模式也会被欠压锁定激活。在UVLO释放后，当VDD＞5V时，睡眠模式 保持激活，直到调用启动顺序。当驱动器处于睡眠模时，LO和HO栅极驱动输出都在高阻抗状态，HO和HS引脚之间电阻为2MΩ，LO和VSS之间电阻为100Ω。这就确保了睡眠模式激活时，FET桥是保持关闭的。当睡眠模式取消时，100Ω电阻断开。

HIP2104桥驱动与HIP2103相同，但还包括两个集成线性的稳压器（LDO）。一个LDO提供HIP2103和HIP2104驱动部分的栅极电压偏置高达75mA的12VDD。 3.3VCC LDO的目的是偏置一个微控制器或DSP。  这两个LDO都有单独的使能输入 ，可以通过一个机械开关利用电池电压来推动LDO的电池电压容限 。因为这些使能输入有常规的逻辑门限，如果需要的话，LDO 也可以用外部逻辑 控制。

虽然HIP2104和HIP2103有相同的睡眠模式功能，但是以通过关HIP2104 LDO来实现超低静态电流，从来消除所有连接到HIP2104 VDD输出的驱动器的偏置电压，以及去除控制器VCC偏置。只有电池电压连接到HIP2104，这种状态下的静态电流才会出现，产生不到5μA电流。
 

图4 睡眠模式与正常模式转换

 
图5 睡眠模式电流
 

图6 HIP2104关闭电流

HIP2103 采用8引脚3x3DFN封装。HIP2104采用12引脚4x4DFN封装，θ_JC低至7℃/W，PCB可以作为一个散热片始终保持结温低于内部150℃的热关闭。

图7 HIP2103 3x3 DFN

图8 HIP2104 4x4 DFN

结论
Intersil的HIP2103和HIP2104半桥驱动非常适合新一代的无刷直流电机驱动系统。虽然本文的重点是这些驱动器在三相电机中的应用，但它们也适用于传统有刷直流电机或任何其它开关电源的应用。

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