电机驱动设计：集成驱动器与栅极驱动器

[导读]设计电机控制电路时，确定如何提供驱动电机所需的高电流至关重要。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。

设计电机控制电路时，确定如何提供驱动电机所需的高电流至关重要。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点和缺点，并提供了何时选择任一解决方案的指导。

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功率器件(例如 MOSFET)。

由于单片解决方案中的 MOSFET 与控制电路制造在同一芯片上，因此这些解决方案具有精确电流测量的优点。单片 IC 还提供强大的保护功能，例如过流保护 (OCP) 和过温保护 (OTP)，因为该电路可以放置在靠近硅片上 MOSFET 的位置。

集成驱动器仅限于与 IC 工艺兼容的电压和电流额定值，这意味着最高可用电压额定值在 80 V 至 100 V 之间。此外，这些驱动器可驱动高达约 15 A 的电流。

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

MPQ6541是集成驱动器的一个示例，它是一款汽车专用的 3 通道功率级器件。其额定电源电压高达 45 V，连续负载电流为 8 A，或每通道峰值电流为 15 A。该电机驱动器集成了六个 MOSFET，每个 MOSFET 的 R DS(ON)均为 15 mΩ。它采用 TQFN-26、6 mm x 5 mm 倒装芯片封装。

图 1该框图突出显示了集成驱动程序的关键构建模块。

图 1显示了 MPQ6541 的框图。请注意，它集成了每个通道的电流测量。这样就不再需要大型且昂贵的电流检测电阻器或电流检测放大器。

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 的高电压或极高电流的应用，不存在单片解决方案。在这些情况下，需要栅极驱动器以及分立 MOSFET。

由于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)比单片驱动器所需的尺寸大得多。

MPQ6533就是高度集成栅极驱动器的一个示例，它是一款 3 通道栅极驱动器 IC，具有转换速率控制和内部诊断功能等集成功能。该器件采用 5 mm x 5 mm QFN-32 封装。

图 2该框图突出显示了栅极驱动器的关键构建模块。

图 2显示了 MPQ6533 的框图。请注意，该解决方案需要六个功率 MOSFET。通常，使用三个双MOSFET(两个MOSFET一起封装在一个IC封装中)。

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的器件。器件采用专用分立 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，因此增加 MOSFET 的面积不会像使用外部 MOSFET 那样增加成本。

然而，对于高电流应用，IC 工艺中 MOSFET 的成本开始主导器件成本。尽管有可支持 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加分立 MOSFET 的实施方案更昂贵。

在某些情况下，小尺寸的整体部件的价值如此之高，以至于需要更昂贵的解决方案。例如，某些系统需要在电机内部集成驱动器，而可用空间很小。在这些场景中，使用栅极驱动器加 MOSFET 的解决方案可能根本不适合有限的空间。

为了大致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的栅极驱动器 IC 的成本。两种解决方案之间的其他支持组件(例如旁路电容器)的价格相似。请注意，这些成本基于低数量目录价格;实际批量生产的价格通常要低得多。

表 1显示了专用单片 IC 和栅极驱动器 IC 之间的成本比较。

表 1显示了专用单片 IC 和具有分立 MOSFET 的栅极驱动器 IC 之间的成本比较。

解决方案尺寸

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，我们可以将 MPQ6541 与带有附加功率 MOSFET 的 MPQ6533 占用的 PCB 面积进行比较(图 3)。两个部件的尺寸差别很大，MPQ6541 的尺寸为 130 mm 2，MPQ6533 的尺寸为 520 mm 2，大了四倍。请注意，此处所示的栅极驱动器解决方案使用小型封装中的双 MOSFET;在其他情况下，MOSFET 可以更大，这进一步增加了解决方案的 PCB 面积。

图 3显示了专用单片 IC 和栅极驱动器 IC 之间的尺寸比较。

散热考虑

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下运行的应用)，热考虑因素可能会妨碍使用单片驱动器。

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。

考虑 MPQ6541 单片驱动器及其较小的尺寸。如果 PCB 设计正确，该部件可以驱动很大的电流。图 4显示了向三相无刷电机提供 6A 电流时 MPQ6541 在 5 cm x 5 cm 2 层 PCB 上的温度。测得的外壳温度比环境温度高出 38°C。具有内部平面的 4 层 PCB 将进一步降低温升。