FlexMOS預(yù)驅(qū)動器用于電機(jī)控制應(yīng)用

隨著業(yè)界在大電流電機(jī)控制應(yīng)用中用固態(tài)開關(guān)取代機(jī)械繼電器，F(xiàn)LEXMOS?產(chǎn)品組合中的智能門極驅(qū)動器可與外部MOSFET配對使用。安森美（onsemi）的預(yù)驅(qū)動器方案賦能可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)靈活性，以滿足不同的負(fù)載要求，可將電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用從一個電機(jī)擴(kuò)展到多達(dá)七個，使這些產(chǎn)品成為廣泛的汽車車身電子應(yīng)用的理想選擇。

預(yù)驅(qū)動IC的主要功能如下：

1. 微控制器 （uC） 和外部功率 MOSFET 輸出級之間的接口。預(yù)驅(qū)動器 IC 在微控制器低壓域（通常小于 5.5 伏）和汽車電池連接系統(tǒng)上的最大 40 伏之間提供隔離。

2. 為高邊級提供門極過驅(qū)動，以能使用 N 溝道 MOSFET。

3. 監(jiān)控和保護(hù)外部 MOSFET 和連接的負(fù)載，提高系統(tǒng)的魯棒性和診斷能力。

4. 為導(dǎo)通和關(guān)斷曲線提供特定的交流特性，以最小化開關(guān)應(yīng)用的電磁輻射和損失能效。

需要雙向電機(jī)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用使用外部 MOSFET H 橋配置——集成 H 橋以簡化操作。相比之下，對熱管理和負(fù)載電流要求更高的應(yīng)用使用預(yù)驅(qū)動器和外部 MOSFET 方案。由于通道數(shù)越多，預(yù)驅(qū)動器的功耗就越容易管理，因此隨著系統(tǒng)中大電流電機(jī)數(shù)量的增加，全局系統(tǒng)響應(yīng)會顯著提高。單個門極驅(qū)動器 IC如NCV754x可監(jiān)控所有半橋節(jié)點(diǎn)和連接的負(fù)載，并防止由于故障情況導(dǎo)致的電機(jī)意外運(yùn)動。

H橋架構(gòu)讓工程師能引導(dǎo)電機(jī)中的電流流動，如圖1所示。電流的方向決定了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

圖 1：H 橋電機(jī)控制

流經(jīng)電機(jī)的電流量與電機(jī)速度和可用扭矩直接相關(guān)。如果電機(jī)中的電流增加，那么如果外部負(fù)載的扭矩要求保持不變，電機(jī)的速度就會增加。或者，增加的電流可為重載轉(zhuǎn)化為更高的扭矩，同時保持恒定的速度。

安森美的FLEXMOS預(yù)驅(qū)動器含可編程電流源和校準(zhǔn)技術(shù)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從我們在專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 （ASSP） 市場提供的廣泛的 N 溝道 MOSFET 產(chǎn)品組合中進(jìn)行選擇。MOSFET 產(chǎn)品推薦工具可用于為合適的應(yīng)用選擇合適的 MOSFET 。

預(yù)驅(qū)動器拓?fù)涮峁└斓脑O(shè)計(jì)周期，以滿足基于不同汽車 OEM 規(guī)格、調(diào)節(jié)水平和模型類型而不斷變化的系統(tǒng)要求。

圖 2：NCV754x 應(yīng)用圖

較短的設(shè)計(jì)周期是可實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員能針對不同負(fù)載調(diào)整 MOS 功率級，同時保持其余硬件組件不變。在保持整體軟件流程的情況下，需要對軟件進(jìn)行少量的修改，以微調(diào)對新MOSFET的控制。從圖 3 中可看出，在從同一產(chǎn)品系列中選擇預(yù)驅(qū)動器方案時，軟件開發(fā)的 IP 重用更為明顯。安森美有以下門極驅(qū)動器，共享相同的 SPI 寄存器設(shè)置和可編程性：

NCV7544MTXG：四半橋預(yù)驅(qū)動器

NCV7546MTXG：六半橋預(yù)驅(qū)動器

NCV7547MTXG：七半橋預(yù)驅(qū)動器

圖 3：NCV754x 寄存器匯總

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員采用多種預(yù)驅(qū)動器選項(xiàng)可優(yōu)化成本，通過不同的通道組合實(shí)現(xiàn)OEM規(guī)范中要求的電機(jī)執(zhí)行器數(shù)量。由于預(yù)驅(qū)動器的靈活性，各種終端應(yīng)用都可使用這些器件，包括：

座椅控制模塊

門鎖和門閂

升降門執(zhí)行器

天窗或天窗執(zhí)行器

車窗升降器

半橋驅(qū)動器塊具有多個可編程的上拉和下拉電流源，用于為外部 MOSFET 的門極充電。圖 4 顯示了配置有外部 MOSFET 和電機(jī)負(fù)載的半橋預(yù)驅(qū)動器的簡化視圖。

圖 4：簡化的半橋預(yù)驅(qū)動器，控制外部 MOSFET 和電機(jī)負(fù)載

上圖中橙色突出顯示的可編程電流源實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的壓擺率控制。為了更快的導(dǎo)通，可分階段增加HS1的上拉電流源，以更快地給門極充電，從而為電機(jī)負(fù)載提供可預(yù)測的開關(guān)行為。精確的壓擺率控制的顯著好處是賦能更高的脈寬調(diào)制（PWM）頻率，具有更嚴(yán)格的最小和最大占空比，并管理功率損耗和減少電磁輻射。

對于電機(jī)控制應(yīng)用，非常希望PWM高于20 kHz，以高于可聽頻率范圍。占空比最小值和最大值的更好性能為具有不同扭矩要求的電機(jī)負(fù)載提供了先進(jìn)的速度控制。例如，對于重載或電機(jī)啟動條件，需要更高的扭矩來保持速度恒定。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須增加占空比來增加電機(jī)的電流，以達(dá)到更高的扭矩。因此，希望以接近100%值的占空比工作。

由于高電流和高漏源電壓（VDS）工作點(diǎn)，當(dāng)通道開始導(dǎo)通時，MOSFET的功率損耗最大。通常情況下，最好能從MOSFET的高VDS狀態(tài)快速過渡到全增強(qiáng)VDS階段。因此，在要求高的負(fù)載的PWM周期中，最小化開關(guān)損耗。開關(guān)過快會導(dǎo)致?lián)舸┦录?，從而?dǎo)致模塊退化或系統(tǒng)產(chǎn)生不良電磁輻射。門極驅(qū)動級的可選電流源讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證期間的熱或排放需求、生產(chǎn)階段的生產(chǎn)線末端校準(zhǔn)，甚至在終端產(chǎn)品的生命周期內(nèi)進(jìn)行軟件更新時，修改開關(guān)配置文件。

除了MOSFET控制外，F(xiàn)LEXMOS半橋預(yù)驅(qū)動器通過監(jiān)測有源MOSFET的VDS，監(jiān)測并保護(hù)外部MOSFET和連接的負(fù)載，以防發(fā)生短路。圖5顯示了一個輸出波形和各種故障條件的例子。選定的FLEXMOS預(yù)驅(qū)動器在兩個獨(dú)立的部分提供VDS監(jiān)測方案：動態(tài)VDS保護(hù)和靜態(tài)VDS保護(hù)。動態(tài)VDS保護(hù)對開關(guān)階段進(jìn)行監(jiān)控，而靜態(tài)VDS保護(hù)則在MOSFET完全導(dǎo)通時工作。對于在工廠生產(chǎn)線上編程的已知電壓與時間的開關(guān)曲線，所選的FLEXMOS半橋器件可監(jiān)測輸出電壓（VHB）的進(jìn)展，并確定是否存在故障情況。

圖 5：半橋輸出開關(guān)曲線和 VDS 保護(hù)

有關(guān)可編程電流設(shè)置、PWM工作和器件保護(hù)功能的深入信息，請參考我們的應(yīng)用注釋--使用NCV7544、NCV7546和NCV7547半橋預(yù)驅(qū)動器（AND90124/D）的MOSFET門極驅(qū)動要求和初始參數(shù)設(shè)置方案以及參考工具。

審核編輯：郭婷