FlexMOS?預驅動器用于電機控制應用

時間：2022-03-23 14:09:24

關鍵字：安森美汽車電子驅動器

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[導讀]隨著業(yè)界在大電流電機控制應用中用固態(tài)開關取代機械繼電器，F(xiàn)LEXMOS?產品組合中的智能門極驅動器可與外部MOSFET配對使用。安森美(onsemi)的預驅動器方案賦能可擴展的設計靈活性，以滿足不同的負載要求，可將電機驅動應用從一個電機擴展到多達七個，使這些產品成為廣泛的汽車車身電子應用的理想選擇。

隨著業(yè)界在大電流電機控制應用中用固態(tài)開關取代機械繼電器，F(xiàn)LEXMOS?產品組合中的智能門極驅動器可與外部MOSFET配對使用。安森美(onsemi)的預驅動器方案賦能可擴展的設計靈活性，以滿足不同的負載要求，可將電機驅動應用從一個電機擴展到多達七個，使這些產品成為廣泛的汽車車身電子應用的理想選擇。

預驅動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。預驅動器 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動，以能使用 N 溝道 MOSFET。

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

4. 為導通和關斷曲線提供特定的交流特性，以最小化開關應用的電磁輻射和損失能效。

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

H橋架構讓工程師能引導電機中的電流流動，如圖1所示。電流的方向決定了電機的旋轉方向。

圖 1：H 橋電機控制

流經電機的電流量與電機速度和可用扭矩直接相關。如果電機中的電流增加，那么如果外部負載的扭矩要求保持不變，電機的速度就會增加?；蛘?，增加的電流可為重載轉化為更高的扭矩，同時保持恒定的速度。

安森美的FLEXMOS預驅動器含可編程電流源和校準技術，讓系統(tǒng)設計人員從我們在專用標準產品 (ASSP) 市場提供的廣泛的 N 溝道 MOSFET 產品組合中進行選擇。MOSFET 產品推薦工具可用于為合適的應用選擇合適的 MOSFET 。

預驅動器拓撲提供更快的設計周期，以滿足基于不同汽車 OEM 規(guī)格、調節(jié)水平和模型類型而不斷變化的系統(tǒng)要求。

圖 2：NCV754x 應用圖

較短的設計周期是可實現(xiàn)的，因為系統(tǒng)設計人員能針對不同負載調整 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，需要對軟件進行少量的修改，以微調對新MOSFET的控制。從圖 3 中可看出，在從同一產品系列中選擇預驅動器方案時，軟件開發(fā)的 IP 重用更為明顯。安森美有以下門極驅動器，共享相同的 SPI 寄存器設置和可編程性：

NCV7544MTXG：四半橋預驅動器

NCV7546MTXG：六半橋預驅動器

NCV7547MTXG：七半橋預驅動器

圖 3：NCV754x 寄存器匯總

系統(tǒng)設計人員采用多種預驅動器選項可優(yōu)化成本，通過不同的通道組合實現(xiàn)OEM規(guī)范中要求的電機執(zhí)行器數(shù)量。由于預驅動器的靈活性，各種終端應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 和電機負載的半橋預驅動器的簡化視圖。

圖 4：簡化的半橋預驅動器，控制外部 MOSFET 和電機負載

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

對于電機控制應用，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負載提供了先進的速度控制。例如，對于重載或電機啟動條件，需要更高的扭矩來保持速度恒定。系統(tǒng)設計人員必須增加占空比來增加電機的電流，以達到更高的扭矩。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，當通道開始導通時，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VDS階段。因此，在要求高的負載的PWM周期中，最小化開關損耗。開關過快會導致?lián)舸┦录瑥亩鴮е履K退化或系統(tǒng)產生不良電磁輻射。門極驅動級的可選電流源讓系統(tǒng)設計人員根據(jù)設計驗證期間的熱或排放需求、生產階段的生產線末端校準，甚至在終端產品的生命周期內進行軟件更新時，修改開關配置文件。

除了MOSFET控制外，F(xiàn)LEXMOS半橋預驅動器通過監(jiān)測有源MOSFET的VDS，監(jiān)測并保護外部MOSFET和連接的負載，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預驅動器在兩個獨立的部分提供VDS監(jiān)測方案：動態(tài)VDS保護和靜態(tài)VDS保護。動態(tài)VDS保護對開關階段進行監(jiān)控，而靜態(tài)VDS保護則在MOSFET完全導通時工作。對于在工廠生產線上編程的已知電壓與時間的開關曲線，所選的FLEXMOS半橋器件可監(jiān)測輸出電壓(VHB)的進展，并確定是否存在故障情況。