电机驱动设计：集成驱动器与栅极驱动器的区别

在设计电机控制电路时，确定如何提供驱动电机所需的大电流至关重要。设计人员必须选择是使用具有内部功率器件的单片集成电路 (IC)，还是使用栅极驱动器 IC 和分立的外部功率 MOSFET。

本文讨论了每种方法的优缺点，并就何时选择这两种解决方案提供了指导。

单片驱动程序

第一种选择是使用单片驱动器 IC 来驱动电机。集成 IC 由封装中的一个硅芯片组成;该芯片集成了逻辑、支持和保护电路，以及驱动电流通过电机的 MOSFET 等功率器件。

由于单片解决方案中的 MOSFET 与控制电路制造在同一芯片上，因此这些解决方案提供了精确电流测量的优势。单片 IC 还提供强大的保护功能，例如过流保护 (OCP) 和过热保护 (OTP)，因为该电路可以放置在硅片上的 MOSFET 附近。

集成驱动器仅限于与 IC 工艺兼容的额定电压和电流，这意味着可用的最高额定电压在 80 V 和 100 V 之间。此外，这些驱动器可以驱动高达约 15 A。

单片驱动器几乎专门用于打印机等大容量应用，其中电源电压通常低于 35 V，电机电流低于 5 A。

集成驱动器的一个示例是MPQ6541，这是一种汽车专用的 3 通道功率级器件。它的额定电源电压高达 45 V，连续负载电流为 8 A，或每个通道的峰值电流为 15 A。该电机驱动器集成了六个 MOSFET，每个 MOSFET 的 R DS(ON)为 15 mΩ。它采用 TQFN-26、6 mm x 5 mm 倒装芯片封装。

栅极驱动器

第二种选择使用分立功率 MOSFET(或在某些情况下，使用其他功率器件)来驱动电流通过电机，并且 MOSFET 通过栅极驱动器 IC、预驱动器或多个栅极驱动器进行控制。

对于需要超过 100 V 的高电压或非常高电流的应用，不存在单片解决方案。在这些情况下，需要一个栅极驱动器以及分立的 MOSFET。

由于在这种情况下需要多个器件(有时多达三个栅极驱动器和六个功率 MOSFET)，因此解决方案尺寸(即电机驱动器占用的 PCB 面积)远大于单片驱动器所需的尺寸。

高度集成的栅极驱动器的一个例子是MPQ6533，这是一款 3 通道栅极驱动器 IC，具有压摆率控制和内部诊断功能等集成特性。该器件采用 5 mm x 5 mm QFN-32 封装。

成本考虑

模拟和混合信号 IC 工艺比专用分立 MOSFET 工艺复杂得多。由于在 IC 工艺中制造低 R DS(ON) MOSFET 需要大面积的硅，因此在 MOSFET 工艺中具有相同 R DS(ON)和电压的器件的成本通常高于制造类似器件的成本器件采用专用的分立 MOSFET 工艺。

对于较低电流和/或较低电压的电机驱动器，在 IC 工艺中制造 MOSFET 的代价很小。由于控制和保护功能占据了芯片的很大一部分，因此为 MOSFET 增加的面积不会像使用外部 MOSFET 那样增加成本。

然而，对于大电流应用，IC 工艺中 MOSFET 的成本开始主导器件的成本。尽管有可以支持 15A 电机电流的单片电机驱动器，但它们通常比使用栅极驱动器和分立 MOSFET 的实现更昂贵。

在某些情况下，单片部件的小尺寸被高度重视，以至于它证明了更昂贵的解决方案是合理的。例如，一些系统需要在电机内部集成驱动器，但可用空间很小。在这些情况下，使用栅极驱动器和 MOSFET 的解决方案可能根本不适合受限空间。

为了粗略了解单片解决方案与栅极驱动器解决方案的相对成本，我们可以比较单片 IC 加上具有三个双 MOSFET 和三个电流检测电阻器的栅极驱动器 IC 的成本。其他支持组件(例如旁路电容器)在两种解决方案之间具有相似的价格。请注意，这些成本基于少量目录价格;实际批量生产价格通常要低得多。

解决方案大小

单片驱动器几乎总是小于使用栅极驱动器和分立 MOSFET 的等效解决方案。

例如，我们可以比较 MPQ6541 与 MPQ6533 占用的 PCB 面积以及额外的功率 MOSFET。两个部件的尺寸差异很大，MPQ6541 占据 130 mm 2，MPQ6533 占据 520 mm 2，是原来的四倍。请注意，此处显示的栅极驱动器解决方案在小封装中使用双 MOSFET;在其他情况下，MOSFET 可以更大，这会进一步增加解决方案的 PCB 面积。

散热注意事项

为了有效散发功率 MOSFET 中产生的热量，PCB 通常用作散热器。较大的封装通常对 PCB 具有更好的导热性，这意味着从散热的角度来看，更大的解决方案更好。这有利于使用栅极驱动器的解决方案，因为功率 MOSFET 通常很大。低 R DS(ON)功率 MOSFET 很容易获得，因此在某些情况下——尤其是需要在恶劣环境中运行的应用——热因素可能会排除使用单片驱动器。

单片驱动程序采用较小的封装。为了补偿这些封装中较高的热阻，给定电流的 R DS(ON)必须低于使用分立 MOSFET 的类似解决方案的 R DS(ON)。

考虑 MPQ6541 单片驱动器及其较小的尺寸。如果 PCB 设计正确，则该部分可以驱动很大的电流。显示了 MPQ6541 在 5 cm x 5 cm、2 层 PCB 上的温度，同时为三相无刷电机提供 6 A 电流。测得的外壳温度比环境温度高 38°C。带有内部平面的 4 层 PCB 将进一步降低温升。

仔细考虑权衡

在单片电机驱动器和采用外部 MOSFET 解决方案驱动电机的栅极驱动器之间进行选择很复杂。必须考虑成本、解决方案尺寸和热特性之间的权衡。

对于非常小的电机，单片驱动器是最佳解决方案。同样，对于非常高功率的电机，应使用使用栅极驱动器和分立 MOSFET 的解决方案。然而，这两种解决方案之间存在很大的重叠，因此设计人员在做出选择时应考虑其应用的规格。