通過圖文講解電機控制器中的MOS驅動

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2022-10-11 12:43:10 62

導讀

三相直流無刷電機由于其可靠性高、免維護的特點，逐漸取代有刷電機，成為汽車風機、水泵、油泵的*動力來源。在設計電機控制器時，不能直接使用通用MCU的IO引腳驅動功率MOS，此時預驅芯片是最優選擇。

1.引言

通用MCU或DSP的IO電壓通常是5V3.3V，IO的電流輸出能力在20MA以下，不足以直接驅動功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP來設計電機驅動器時，通常需要搭配外部的MOSFET驅動器，我們稱之為“預驅”。在設計汽車風機、水泵、油泵等電機驅動控制器時，使用車規MCU+車規預驅+車規N溝道功率MOSFET，可以適配不同功率、各種通信方式和各種驅動方式。

2.控制器中的功率MOS驅動

圖1 直流無刷電機驅動電路

如圖，三相直流無刷電機（包括BLDC和PMSM）功率級驅動電路使用6個N溝道功率MOS構成三相全橋，分為三個連接到電源正極（VBus）的高邊MOS和三個連接到電源負極的低邊MOS。控制器通過控制六個MOS的通斷，完成換相，使電機按照預期轉動。電機在運轉過程中可能會遇到堵轉而導致過流，因此MOS驅動電路需要具有保護功能，以防止燒壞控制器或電機。

對于單個NMOS來說，在開通時，需要提供瞬間大電流向MOS內的寄生電容充電，柵源電壓（VGS）達到一定閾值后，MOS才能完全開通。在MOS開通后，還需要維持合適的柵源電壓（VGS），才可以保持開通狀態。

對于低邊MOS，其源極（S）接到電源負極，柵源電壓容易滿足，驅動較簡單。

對于高邊MOS，其源極（S）接到電機相線，其電壓是不確定的，如果需要開通，需要通過自舉電路提供柵極電壓，驅動較復雜。

圖2 VGS與RDSON的關系

一般情況下，MOS的導通內阻都如圖2所示，隨著VGS的增大而降低，但VGS大于10V之后，下降曲線變得平緩。為了達到最小的導通電阻(RDSON)，VGS的取值通常為10~15V。

3.車規預驅——MPQ6531

MPQ6531是MPS推出的一款專門用于汽車三相直流無刷電機控制器的預驅，符合AEC-Q100 Grade 1，輸入電壓為5-60V，可以滿足12V/24V汽車電氣系統下的需求。

圖3 MPQ6531典型應用電路

1、集成三相預驅，體積僅4x5mm

MPQ6531是高度集成的預驅，其內部集成三個高低邊驅動器，可以直接驅動由6個NMOS構成的三相全橋。采用QFN-28封裝，體積為4x5mm，僅相當于SOP8封裝的單個高低邊驅動大小，非常適合于有體積要求的電機驅動控制器。

2、與MCU連接簡單，占用引腳少

MPQ6531僅有6個PWM輸入信號、1個故障輸出信號與MCU連接，占用MCU引腳非常少。如有需要低功耗控制，MPQ6531還提供了一個nsleep引腳，拉低該引腳，芯片可以進入低功耗模式。在低功耗模式下，電流僅1.4μA.。其故障檢測保護、死區時間等均通過硬件設置，無需復雜的軟件控制。

3、11.5V柵極驅動電壓

MPQ6531集成了穩壓電荷泵以產生柵極驅動電源（VREG），其電壓是11.5V，足以*驅動常用功率NMOS。低邊MOS源極（S）接到電源負極，所以VREG可以直接驅動。對于高邊MOS，MPQ6531使用自舉電容產生電源電壓。在驅動高邊MOS時，經過自舉，其電壓是VS+VREG。同時內部集成Trick Charger涓流充電電路，可保證在*占空比情況下，保持足夠的高端柵極驅動器電壓。得益于芯片內部設計，即使電源電壓下降至5V，VREG仍可保持在10-12V。

4、硬件死區插入功能

高邊MOS和低邊MOS同時打開會導致直通，燒壞MOS。所以必須保證打開與關閉存在時間上的延遲，該延時稱為死區時間。MPQ6531可以通過DT引腳來設置死區時間，達到硬件保護的目的。

5、MOS過流、短路保護功能

為了保護MOS免受高電流損壞，MPQ6531中采用了VDS感應電路。MPQ6531可以監控每個MOS上的壓降。MOS的壓降與MOS的RDSON和流經它的IDS電流成正比。過流檢測閾值可以通過OCREF引腳設置，如果MOS壓降超過提供給OCREF端子的電壓，則表明存在MOS過流故障。

6、母線過流保護功能

MPQ6531內置一個比較器，可以實現母線過流保護功能。母線電流流過采樣電阻RSense會產生壓降，該電壓與內部的0.5V電壓做比較，如果超過0.5V則表明存在母線電流故障。

7、故障保護功能

除了MOS過流保護和母線過流保護功能，MPQ6531還具有低壓保護、過溫保護功能。當檢測到故障時，MPQ6531會禁用所有柵極驅動輸出，使得所有MOS都處于關閉狀態，達到保護MOS的效果。

4.結語

MPQ6531是一款車規級的高度集成三相預驅，專為三相直流無刷電機控制設計，適用于FOC驅動、方波驅動，可以有效減少BOM成本和PCB尺寸。ZLG可提供原理圖和PCB設計參考，協助廠商進行電機控制器快速開發。

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