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  無刷直流電機(jī)(BLDC)因?yàn)槠鋲勖L(zhǎng)、較少的維護(hù)以及效率高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用?；诖?，BLDC廣泛應(yīng)用于 DIY 以及專業(yè)級(jí)電池供電相關(guān)電機(jī)產(chǎn)品中，如電動(dòng)工具、園藝工具、商用及消費(fèi)性多軸飛行器、電池供電家用電器、機(jī)器人、低速電動(dòng)車等。這些產(chǎn)品中使用了不同類型的電機(jī)和控制策略，因此其電壓,扭矩,產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)等均不相同，那么有沒有一個(gè)通用的控制芯片來實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)產(chǎn)品的控制呢?

  有，這即是英飛凌的新型三相電機(jī)智能驅(qū)動(dòng)芯片 6EDL7141，這是一個(gè)智能三相電機(jī)控制柵極驅(qū)動(dòng)器，能用于各種不同場(chǎng)合的電池供電的電機(jī)控制應(yīng)用。6EDL7141 柵極驅(qū)動(dòng)器支持 12-48V 級(jí)的電池供電應(yīng)用場(chǎng)合，此芯片具有完全可編程設(shè)計(jì)能力，可以通過大量的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)多種 PWM 控制以及制動(dòng)模式控制，并具有完備的保護(hù)功能,如過電流、過熱、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)等。

  接下來會(huì)了解到此三相電機(jī)智能驅(qū)動(dòng)芯片的整體架構(gòu),特性，以及其創(chuàng)新的柵極驅(qū)動(dòng)能力，并通過其 GUI 工具方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)以及在線調(diào)試，同時(shí)現(xiàn)有的參考評(píng)估板也可以讓設(shè)計(jì)人員快速地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加速產(chǎn)品上市周期。

  產(chǎn)品概覽

  用于電池供電型 BLDC 電機(jī)控制的三相電機(jī)控制柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，MOTIX TM 6EDL7141 是英飛凌最新推出的三相電機(jī)控制柵極驅(qū)動(dòng)器IC。6EDL7141可用于開發(fā)使用 BLDC 或 PMSM 電機(jī)的高性能電池供電型產(chǎn)品，應(yīng)用包括無線電動(dòng)工具、 園藝電動(dòng)產(chǎn)品和自動(dòng)引導(dǎo)車等許多應(yīng)用場(chǎng)合。MOTIX TM 6EDL7141 具 有 50 多個(gè)使用SPI 接口可編程的參數(shù)，可完全參數(shù)化配置，以驅(qū)動(dòng)各種 MOSFET，得到最佳的系統(tǒng)效率。

  MOTIX? 6EDL7141 采用 48 引腳 VQFN 封裝，具有很大的靈活性，其工作電壓為 5.5-60V，可配置的柵極驅(qū)動(dòng)灌電流和拉電流，最高達(dá)1.5A，能夠有效驅(qū)動(dòng)各種 MOSFET，以完美適合各種應(yīng)用場(chǎng)合。得益于內(nèi)置雙充電荷泵，它的柵極驅(qū)動(dòng)器電源電壓可設(shè)置為 7V、10V、 12V 或 15V，即使在低電池電壓下也可以調(diào)節(jié)。MOTIX? 6EDL7141柵極驅(qū)動(dòng)器參數(shù)亦可調(diào)整，能夠控制壓擺率，以最大限度地減少系統(tǒng)的電磁干擾。MOTIX? 6EDL7141 的所有設(shè)置都可以通過簡(jiǎn)單易用的 GUI 快速更改。

  圖 1 直流無刷電機(jī)的控制應(yīng)用簡(jiǎn)圖

  圖 2 6EDL7141 典型應(yīng)用原理圖

  電源架構(gòu)豐富

  集成降壓調(diào)節(jié)器僅需一個(gè)外部電容和電感來為電機(jī)中的微控制器和霍爾傳感器供電，從而進(jìn)一步減少了外圍器件和所需的PCB 空間。高性能電動(dòng)工具通常還需要使用精確的 ADC 參考電壓進(jìn)行高精度的電流測(cè)量。MOTIX? 6EDL7141 采用先進(jìn)的線性功率調(diào)節(jié)器架構(gòu)，由內(nèi)部降壓轉(zhuǎn)換器供電，可在任何輸入和輸出條件下提供最佳信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)優(yōu)化電源效率。

  圖 3、圖 4 可以看到，MOTIX? 6EDL7141 內(nèi)部集成高效同步 Buck DC-DC 轉(zhuǎn)換器為整個(gè)系統(tǒng)提供高壓供電，輸入電壓范圍寬至 5.5-60V，如果當(dāng) PVDD ≥9.5V，VDDB 能夠提供高達(dá) 600mA 的電流，同時(shí)配備由Buck 轉(zhuǎn)換器輸出供電的 LDO 穩(wěn)壓器可提供高達(dá) 300mA 的低噪聲數(shù)字電源。作為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，可以靈活選擇供電方式，如：Buck 或 LDO 輸出為外部組件(MCU、霍爾等)供電，為配套的 MCU 提供電源，從而省去了所需要的電源配置。

  圖 3 6EDL7141 芯片內(nèi)部電源管理架構(gòu)圖

  圖 4 6EDL7141 芯片內(nèi)部電源管理架構(gòu)圖

  可調(diào)節(jié)的柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)

  系統(tǒng)中的供電由降壓穩(wěn)壓器供電，為所有三相高/低端側(cè)驅(qū)動(dòng)器提供偏置電源。基于電荷泵的三相柵極驅(qū)動(dòng)器支持100%占空比輸出， 同時(shí)得益于雙充電荷泵設(shè)計(jì)，它的柵極驅(qū)動(dòng)器電源電壓，可以通過 SPI參數(shù)設(shè)置為 7V、10V、12V 或15V，即使在低電池電壓下也允許驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)電平的 MOSFET。高低側(cè)柵級(jí)驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)1.5A，內(nèi)置可調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)，這也是通過 SPI 參數(shù)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，可以配合英飛凌的 MOSFET 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的效率，以實(shí)現(xiàn)不同功率等級(jí)應(yīng)用。

  除了能夠選擇柵極驅(qū)動(dòng)器拉電流和灌電流之外，6EDL7141 具有創(chuàng)新和獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換速率控制功能，通過控制柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升斜率和上升下降時(shí)間，以優(yōu)化電池供電應(yīng)用中的 EMI 和開關(guān)損耗。動(dòng)態(tài)優(yōu)化 dv/dt 能夠以最佳性能使用 MOSFET。這可以極大降低開關(guān)損耗并有利于工作頻率提升。

  PWM 模式以及制動(dòng)方式

  6EDL7141 提供 4 種不同的 PWM 模式和一個(gè)變種模式，以滿足不同的 MCU 需求。第一種模式是 6 PWM 模式，通過使用來自 MCU 的 6 個(gè) PWM 信號(hào)以最經(jīng)典方式驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器。

  6EDL7141 還具有其他 3 種模式，通過智能化來簡(jiǎn)化 MCU 側(cè)的 PWM 生成。這些與集成的保護(hù)功能一起，為驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用帶來了高可靠性和更快的開發(fā)過程。智能死區(qū)時(shí)間控制將確保在任何情況下都不會(huì)發(fā)生擊穿。高度可配置的制動(dòng)模式提供對(duì)電機(jī)或系統(tǒng)事件實(shí)現(xiàn)安全響應(yīng)。不同的 PWM 模式是通過 SPI 來設(shè)定。

  圖5 4種不同的PWM 模式

  而在制動(dòng)時(shí)，6EDL7141 將在制動(dòng)事件發(fā)生時(shí)將柵極驅(qū)動(dòng)器輸出設(shè)置為預(yù)定義狀態(tài)，在與 XMC1400 或其他 MCU 集成時(shí)，可以通過內(nèi)部和外部的雙重制動(dòng)，來提高系統(tǒng)的可靠性。外部的制動(dòng)即是由外部 MCU 或系統(tǒng)中的任何其他故障源處理。6EDL7141提供以下幾種制動(dòng)模式，如圖6所示。

  // 高側(cè)制動(dòng)——所有上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷

  // 低側(cè)制動(dòng)——所有下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷

  // 交替制動(dòng)——在高側(cè)和低側(cè)制動(dòng)之間交替進(jìn)行

  // 高阻——所有輸出均設(shè)置為高阻抗

  逆變器的直通問題需要極度關(guān)注，死區(qū)時(shí)間的智能化處理也是有效防止器件直通的有效手段，6EDL7141 死區(qū)時(shí)間可以編程設(shè)定，上升沿死區(qū)時(shí)間和下降沿死區(qū)時(shí)間可獨(dú)立編程(通過 SPI 實(shí)現(xiàn))。在編輯設(shè)定死區(qū)時(shí)間時(shí)，需要確保死區(qū)時(shí)間足以滿足轉(zhuǎn)換速率的配置和所選擇的 MOSFET 的要求。

  圖6 制動(dòng)模式

  圖 7 6EDL7141 內(nèi)置保護(hù)邏輯細(xì)節(jié)

  6EDL7174 內(nèi)部集成了 3 個(gè)具有可調(diào)偏移和增益的運(yùn)算放大器，可用于通過分流電阻器測(cè)量逆變器中的電流。如圖 8 所示，它支持單、雙或三組分流檢測(cè)。同時(shí)具有 3 個(gè)可調(diào)節(jié)抗尖峰脈沖功能的霍爾傳感器比較器，這樣可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的保護(hù)參數(shù)設(shè)置以適配不同的系統(tǒng)功率、不同故障保護(hù)閾值設(shè)置。

  其中 OCP 過流保護(hù)是電機(jī)應(yīng)用中一個(gè)極為重要的保護(hù)特性， 6EDL7174 其內(nèi)部的 OCP 比較器機(jī)制具有集成高精確的 DAC 參考電壓，正 OCP 和負(fù) OCP 功能，PWM 截?cái)啵瑤Э辜夥迕}沖定時(shí)器，故障觸發(fā)事件配置等。當(dāng)然 OCP 過電流保護(hù)也存在如下位置：如在分流或 Rdson，DVDD，LDO OCP，降壓轉(zhuǎn)換器 OCP 等位置。同時(shí)芯片供電的 UVLO 也沒有缺失，如 PVDD、柵極驅(qū)動(dòng)器電源、DVDD LDO 的欠壓鎖定保護(hù)，以及系統(tǒng)層面的過溫報(bào)警和保護(hù)關(guān)斷，可配置看門狗、基于霍爾傳感器輸入的轉(zhuǎn)子鎖定檢測(cè)，存儲(chǔ)器故障這些一起為電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化集成保護(hù)，提升了電機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

  圖 8 支持單(A)、雙(B)和三(C)組并聯(lián)電流檢測(cè)配置

  對(duì)于故障保護(hù)的響應(yīng)，也可以通過軟件配置，如制動(dòng)，高阻，鎖存或不鎖存故障以適合不同的應(yīng)用需求。

  圖形用戶界面 (GUI) 工具

  英飛凌為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)提供了 GUI 工具，用戶可以通過 GUI 界面實(shí)現(xiàn)器件的選擇，參數(shù)的任意配置，這些只需要通過參數(shù)寫入即可以實(shí)現(xiàn)可視化的參數(shù)配置和效果，大大簡(jiǎn)化和節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。調(diào)節(jié)后的參數(shù)可以存儲(chǔ)在 OTP 中。完成 OTP 操作后，還可以通過 SPI 命令更改一些配置，6EDL7141 提供高達(dá) 50 個(gè)參數(shù)可以通過 SPI 配置。

  利用 GUI 和 SPI，即使是非專業(yè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)人員也能輕易利用 6EDL7141 設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的電機(jī)控制系統(tǒng)。

  圖 9 英飛凌電機(jī)控制 GUI

  評(píng)估板加速設(shè)計(jì)上市過程

  現(xiàn) 在 英 飛 凌 提 供 關(guān) 于 此 三 相 智 能 驅(qū) 動(dòng) 器 的 評(píng) 估 版 EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH，此電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)用于具有梯形波控制的電池供電無刷直流 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于無線電動(dòng)工具等應(yīng)用。該評(píng)估板與包含用于轉(zhuǎn)子位置感測(cè)的集成霍爾傳感器的電機(jī)配合使用，將 XMC1400 系列微控制器與 6EDL7141 三相智能驅(qū)動(dòng)器 IC 和英飛凌功率 MOSFET 相結(jié)合。從評(píng)估板的設(shè)計(jì)可以看出，由于高集成度，6EDL7141 減少了系統(tǒng)組元件數(shù)量和上市時(shí)間，同時(shí)顯著提高了功率密度、系統(tǒng)性能和峰值功率脈沖能力。

  評(píng)估板具有完全可配置的操作參數(shù)，集成和可配置的板載電源和柵極驅(qū)動(dòng)輸出，可配置的保護(hù)模式。內(nèi)置調(diào)試器，直接連接到 USB進(jìn)行調(diào)試，評(píng)估板可獨(dú)立運(yùn)行或通過 Infineon 電機(jī)控制 GUI運(yùn)行。

  此評(píng)估板其直流輸入電壓 12 V 至 24 V，額定 18V，最大輸入電流 30 A，峰值運(yùn)行功率可達(dá) 500W。可作為包括無繩電動(dòng)工具、園藝產(chǎn)品、自動(dòng)導(dǎo)引車、電動(dòng)自行車、無人機(jī)和電池供電機(jī)器人等電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)參考。

  圖 10 評(píng)估版 EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH

  英飛凌的三相智能電機(jī)柵極驅(qū)動(dòng)器 6EDL7141，以完善的集成度，多種集成功能，可大幅減少外部組件數(shù)量和成本，包括內(nèi)置電源轉(zhuǎn)換器，智能驅(qū)動(dòng)，傳感檢測(cè)，全面的保護(hù)提升可靠性，可配置的參數(shù)實(shí)施，為電池供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了方便快捷的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期和上市時(shí)間。