【導讀】無刷直流電機(BLDC)因為其壽命長、較少的維護以及效率高等優(yōu)點得到廣泛的應用。基于此，BLDC廣泛應用于 DIY 以及專業(yè)級電池供電相關電機產(chǎn)品中，如電動工具、園藝工具、商用及消費性多軸飛行器、電池供電家用電器、機器人、低速電動車等。這些產(chǎn)品中使用了不同類型的電機和控制策略，因此其電壓,扭矩,產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)等均不相同，那么有沒有一個通用的控制芯片來實現(xiàn)不同電機產(chǎn)品的控制呢?
有，這即是英飛凌的新型三相電機智能驅(qū)動芯片 6EDL7141，這是一個智能三相電機控制柵極驅(qū)動器，能用于各種不同場合的電池供電的電機控制應用。6EDL7141 柵極驅(qū)動器支持 12-48V 級的電池供電應用場合，此芯片具有完全可編程設計能力，可以通過大量的參數(shù)配置，實現(xiàn)多種 PWM 控制以及制動模式控制，并具有完備的保護功能,如過電流、過熱、堵轉(zhuǎn)檢測等。
接下來會了解到此三相電機智能驅(qū)動芯片的整體架構(gòu),特性，以及其創(chuàng)新的柵極驅(qū)動能力，并通過其 GUI 工具方便地進行設計以及在線調(diào)試，同時現(xiàn)有的參考評估板也可以讓設計人員快速地實現(xiàn)產(chǎn)品設計，加速產(chǎn)品上市周期。
產(chǎn)品概覽
用于電池供電型 BLDC 電機控制的三相電機控制柵極驅(qū)動器 IC，MOTIX TM 6EDL7141 是英飛凌最新推出的三相電機控制柵極驅(qū)動器IC。6EDL7141可用于開發(fā)使用 BLDC 或 PMSM 電機的高性能電池供電型產(chǎn)品，應用包括無線電動工具、 園藝電動產(chǎn)品和自動引導車等許多應用場合。MOTIX TM 6EDL7141 具 有 50 多個使用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)動灌電流和拉電流，最高達1.5A，能夠有效驅(qū)動各種 MOSFET，以完美適合各種應用場合。得益于內(nèi)置雙充電荷泵，它的柵極驅(qū)動器電源電壓可設置為 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 的所有設置都可以通過簡單易用的 GUI 快速更改。
圖 1 直流無刷電機的控制應用簡圖
圖 2 6EDL7141 典型應用原理圖
電源架構(gòu)豐富
集成降壓調(diào)節(jié)器僅需一個外部電容和電感來為電機中的微控制器和霍爾傳感器供電，從而進一步減少了外圍器件和所需的PCB 空間。高性能電動工具通常還需要使用精確的 ADC 參考電壓進行高精度的電流測量。MOTIX? 6EDL7141 采用先進的線性功率調(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質(zhì)量，同時優(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)換器為整個系統(tǒng)提供高壓供電，輸入電壓范圍寬至 5.5-60V，如果當 PVDD ≥9.5V，VDDB 能夠提供高達 600mA 的電流，同時配備由Buck 轉(zhuǎn)換器輸出供電的 LDO 穩(wěn)壓器可提供高達 300mA 的低噪聲數(shù)字電源。作為系統(tǒng)級設計時，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)動器提供偏置電源?；陔姾杀玫娜鄸艠O驅(qū)動器支持100%占空比輸出， 同時得益于雙充電荷泵設計，它的柵極驅(qū)動器電源電壓，可以通過 SPI參數(shù)設置為 7V、10V、12V 或15V，即使在低電池電壓下也允許驅(qū)動標準電平的 MOSFET。高低側(cè)柵級驅(qū)動能力高達1.5A，內(nèi)置可調(diào)節(jié)的驅(qū)動電流設計，這也是通過 SPI 參數(shù)設置來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，可以配合英飛凌的 MOSFET 實現(xiàn)系統(tǒng)最佳的效率，以實現(xiàn)不同功率等級應用。
除了能夠選擇柵極驅(qū)動器拉電流和灌電流之外，6EDL7141 具有創(chuàng)新和獨特的驅(qū)動轉(zhuǎn)換速率控制功能，通過控制柵極驅(qū)動電壓的上升斜率和上升下降時間，以優(yōu)化電池供電應用中的 EMI 和開關損耗。動態(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損耗并有利于工作頻率提升。
PWM 模式以及制動方式
6EDL7141 提供 4 種不同的 PWM 模式和一個變種模式，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 PWM 信號以最經(jīng)典方式驅(qū)動柵極驅(qū)動器。
6EDL7141 還具有其他 3 種模式，通過智能化來簡化 MCU 側(cè)的 PWM 生成。這些與集成的保護功能一起，為驅(qū)動器應用帶來了高可靠性和更快的開發(fā)過程。智能死區(qū)時間控制將確保在任何情況下都不會發(fā)生擊穿。高度可配置的制動模式提供對電機或系統(tǒng)事件實現(xiàn)安全響應。不同的 PWM 模式是通過 SPI 來設定。
圖5 4種不同的PWM 模式
而在制動時，6EDL7141 將在制動事件發(fā)生時將柵極驅(qū)動器輸出設置為預定義狀態(tài)，在與 XMC1400 或其他 MCU 集成時，可以通過內(nèi)部和外部的雙重制動，來提高系統(tǒng)的可靠性。外部的制動即是由外部 MCU 或系統(tǒng)中的任何其他故障源處理。6EDL7141提供以下幾種制動模式，如圖6所示。
// 高側(cè)制動——所有上管導通，下管關斷
// 低側(cè)制動——所有下管導通，上管關斷
// 交替制動——在高側(cè)和低側(cè)制動之間交替進行
// 高阻——所有輸出均設置為高阻抗
逆變器的直通問題需要極度關注，死區(qū)時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)時間可以編程設定，上升沿死區(qū)時間和下降沿死區(qū)時間可獨立編程(通過 SPI 實現(xiàn))。在編輯設定死區(qū)時間時，需要確保死區(qū)時間足以滿足轉(zhuǎn)換速率的配置和所選擇的 MOSFET 的要求。
圖6 制動模式
圖 7 6EDL7141 內(nèi)置保護邏輯細節(jié)
6EDL7174 內(nèi)部集成了 3 個具有可調(diào)偏移和增益的運算放大器，可用于通過分流電阻器測量逆變器中的電流。如圖 8 所示，它支持單、雙或三組分流檢測。同時具有 3 個可調(diào)節(jié)抗尖峰脈沖功能的霍爾傳感器比較器，這樣可以實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的保護參數(shù)設置以適配不同的系統(tǒng)功率、不同故障保護閾值設置。
其中 OCP 過流保護是電機應用中一個極為重要的保護特性， 6EDL7174 其內(nèi)部的 OCP 比較器機制具有集成高精確的 DAC 參考電壓，正 OCP 和負 OCP 功能，PWM 截斷，帶抗尖峰脈沖定時器，故障觸發(fā)事件配置等。當然 OCP 過電流保護也存在如下位置：如在分流或 Rdson，DVDD，LDO OCP，降壓轉(zhuǎn)換器 OCP 等位置。同時芯片供電的 UVLO 也沒有缺失，如 PVDD、柵極驅(qū)動器電源、DVDD LDO 的欠壓鎖定保護，以及系統(tǒng)層面的過溫報警和保護關斷，可配置看門狗、基于霍爾傳感器輸入的轉(zhuǎn)子鎖定檢測，存儲器故障這些一起為電機控制實現(xiàn)系統(tǒng)化集成保護，提升了電機系統(tǒng)的可靠性。
圖 8 支持單(A)、雙(B)和三(C)組并聯(lián)電流檢測配置
對于故障保護的響應，也可以通過軟件配置，如制動，高阻，鎖存或不鎖存故障以適合不同的應用需求。
圖形用戶界面 (GUI) 工具
英飛凌為電機驅(qū)動控制設計提供了 GUI 工具，用戶可以通過 GUI 界面實現(xiàn)器件的選擇，參數(shù)的任意配置，這些只需要通過參數(shù)寫入即可以實現(xiàn)可視化的參數(shù)配置和效果，大大簡化和節(jié)約設計時間。調(diào)節(jié)后的參數(shù)可以存儲在 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 50 個參數(shù)可以通過 SPI 配置。
利用 GUI 和 SPI，即使是非專業(yè)電機控制設計人員也能輕易利用 6EDL7141 設計出優(yōu)秀的電機控制系統(tǒng)。
圖 9 英飛凌電機控制 GUI
評估板加速設計上市過程
現(xiàn) 在 英 飛 凌 提 供 關 于 此 三 相 智 能 驅(qū) 動 器 的 評 估 版 EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH，此電機驅(qū)動板設計用于具有梯形波控制的電池供電無刷直流 (BLDC) 電機驅(qū)動器，用于無線電動工具等應用。該評估板與包含用于轉(zhuǎn)子位置感測的集成霍爾傳感器的電機配合使用，將 XMC1400 系列微控制器與 6EDL7141 三相智能驅(qū)動器 IC 和英飛凌功率 MOSFET 相結(jié)合。從評估板的設計可以看出，由于高集成度，6EDL7141 減少了系統(tǒng)組元件數(shù)量和上市時間，同時顯著提高了功率密度、系統(tǒng)性能和峰值功率脈沖能力。
評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)動輸出，可配置的保護模式。內(nèi)置調(diào)試器，直接連接到 USB進行調(diào)試，評估板可獨立運行或通過 Infineon 電機控制 GUI運行。
此評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，峰值運行功率可達 500W。可作為包括無繩電動工具、園藝產(chǎn)品、自動導引車、電動自行車、無人機和電池供電機器人等電機控制應用設計參考。
圖 10 評估版 EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH
小結(jié)
英飛凌的三相智能電機柵極驅(qū)動器 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，傳感檢測，全面的保護提升可靠性，可配置的參數(shù)實施，為電池供電的電機驅(qū)動應用提供了方便快捷的設計，縮短產(chǎn)品設計開發(fā)周期和上市時間。
來源：21世紀電源網(wǎng)
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