单芯片无刷直流散热微电机驱动电路综述

摘要：随着集成度不断提高，电子产品越来越小，越来越薄，散热问题也越发突出，因此无刷直流散热微电机被广泛使用。根据无刷直流散热微电机不同应用电压，分3部分总结了单芯片无刷直流散热微电机驱动电路解决方案。阐述了驱动电路涉及的软开关控制法、电机锁死检测与自动重启、线性及开关型桥式驱动、无定位传感器转子检测法、电机软启动、转速控制等技术。通过分析现有单芯片驱动电路方案，展望了无刷直流散热微电机驱动电路未来的发展方向。

1 引言

随着先进控制理论的应用及半导体技术的飞速发展，功率驱动组件切换频率明显提高，使得驱动部件功能日益强大，元件越来越少，可靠性显著提高，无刷直流电机逐渐取代了有刷直流电机的使用领域。尤其是随着信息和数字化时代的到来，电子元件集成度越来越高，各种电子产品呈现出轻薄化、小型化的发展趋势。空间越小，集成度越高，电子产品散热问题越发突出，因此无刷直流微电机被广泛用于电子产品的散热解决方案。

在电脑中，CPU等电子元器件的发热大多采用无刷直流微电机散热，因此无刷直流微电机用量巨大;现阶段盛行的LED照明，由于受限于LED发光效率，发热问题也亟待解决，因此无刷直流散热微电机也被用于LED照明的散热。

2 单芯片散热微电机驱动电路方案

2.1 低压5 V驱动电路控制方案

该类驱动电路方案主要用在笔记本电脑、平板电脑及各种便携式设备中，因此典型工作电压只有5 V，最低电压通常要求支持1.8 V。为减小印刷电路板面积，功率驱动管多采用内部集成实现。针对该应用领域主要有以下两大类芯片。

2.1.1 需要定位传感器的驱动控制芯片

该类芯片通过对定位传感器(在无刷直流散热微电机中多采用霍尔效应传感器)给出的位置信息放大处理后控制电子换相器换相。此处以BD6966NUX为例说明，整个控制过程如图1所示。

图中H+和H-是定位传感器给出的转子位置信息，经运放放大后，控制OUT1和OUT2。在运放内部集成了功率驱动管，放大倍数由式(1)给出：

UOUT2-UOUT1=-R1(UH+-UH-)/R2 (1)

根据BD6966NUX规格书描述，放大倍数为44.5 dB，约为168倍，因此R1/R2=168。

图1中当定位传感器信号UH+>UH-时，运放放大后UOUT1为高电平，UOUT2为低电平，电流由OUT1流向OUT2;当UH+

此外当传感器信号较弱时，由于运放线性放大作用，输出波形如图2所示。灰色区域中传感器信号幅度小，经过168倍放大后在换相点附近驱动能力线性增加或减少，实现了电机驱动电流的软开关换相，有效降低了电机换相噪声。

2.1.2 三相无定位传感器驱动控制芯片

由于定位传感器型驱动芯片存在缺点，故此处采用无定位传感器驱动芯片。当前无定位传感器驱动芯片多采用三相驱动方式，通过检测不通电那一相线圈绕组反向电动势过零计算出电机驱动电流换相时机。在LV8800，BH67172及DRV10863中都采用了上述控制方式。

图3为上述控制方法工作原理。假设u，v两相导通，w相绕组线圈浮空且无电流。导通u，v两相反向电动势大小相等方向相反，二者之和等于零。而浮空相绕组线圈反向电动势ew正负变化反映了浮空相过零，因此可采用上述方法检测电机转子位置，从而确定电机换相时机。

由于三相无定位传感器型驱动芯片采用开关模式而非线性放大，同时无位置传感器，因此其软开关实现方式与定位传感器型驱动芯片不同：其根据反向电动势过零信息通过数字电路计算出软开关换相区域，且采用PWM模式进行控制：当电机转子临近反向电动势过零点时，提前减小将退出驱动相的输出占空比;当电机转子离开过零点后，逐渐增加开始驱动相的驱动占空比。采用上述模式换相控制后，退出驱动相电流逐渐减少，进入驱动相则逐渐增加。因此换相点附近电机换相力矩平稳，能实现电机低噪声运转。

2.2 电源电压12 V驱动电路控制方案

该类方案主要用于个人电脑及各种测试设备，驱动功率适中，因此功率驱动管多采用内部集成方式实现。由于电源电压从4.5～18 V变化，若仍采用低压应用时的线性放大模式，那么在传感器信号幅度较低时，换相产生的热量大，极易损坏驱动系统，因此多采用开关型桥式驱动。代表解决方案有LB11961及EUM6861。该类方案的最大特点是电机转速曲线外部可调：能自由设定电机最低转速，同时还能灵活设定电机转速曲线斜率。电机转速曲线控制示意图如图4所示。

图5详细分析了调速原理：当VTH和RMI任一引脚电压低于CPWM引脚产生的三角波电压时，输出信号为高电平，此时集成的功率管驱动电机转动。RMI引脚设定电机最低转速，该引脚直流电压与CPWM引脚三角波信号比较确保输出有最小驱动占空比，从而保证电机最低转速。VTH引脚的直流电压、CPWM三角波及RMI电压共同控制电机转速曲线斜率。

由于该类方案驱动电源最高达18 V，之前线性放大软开关控制方式，在传感器信号幅度较低时发热大，易造成驱动芯片损坏，因此当传感器信号差值小于设定值时逻辑电路直接将集成的功率桥中上端驱动管关断，同时开启下端驱动管，让负载电机电流采用下端续流。

2.3 高压大功率应用解决方案

该类解决方案主要用在服务器、测试设备、工业控制及办公设备的散热系统中。通常驱动电压高、驱动功率大，因此功率管多采用外置方式实现。代表解决方案有LB11967和LB11867。该类方案的特点是驱动功率大、驱动电压高、功率驱动管外置、外部线路复杂。图6以LB11 867为例来阐述该类解决方案。在该应用线路中有几点需要说明：

①应用线路中A框线路设定电机PWM调速曲线的斜率，B框控制电机的最低转速;②电阻Rsense用于设定流过功率管的最大驱动电流，Rse nse越大，功率驱动管能流过的电流越小;③电阻R1，R2取值越大，外置功率管栅源电压越大，导通电阻越小(不超过栅源耐压值)，发热越小，驱动效率也越高;④C5设定软启动时间。C5越大启动时间越长，启动瞬间电流越小。但C5不宜过大，过大时散热电机有可能还未正常启动就直接进入锁定状态，因此C5取值应根据电机特性优化。

图7详细分析了软启动实现原理：驱动芯片上电或散热电机锁定时，S-S引脚(接C5电容)会强行拉高至比CPWM引脚三角波电压高，当锁定保护和上电动作完成后，S-S引脚电压会被强行拉低至CPWM三角波电压高点，然后释放。由于S-S引脚外接有C5，在芯片内部电流沉作用下缓慢放电，放电斜率由C5和S-S引脚电流沉电流(规格书上标注为0.5μA)决定。

3 结论

随着科技的飞速发展，电子产品呈现轻薄化、小型化的发展趋势，单芯片无刷直流散热微电机驱动电路发展新方向主要有：①内置定位传感器驱动电路。采用标准半导体工艺，单芯片集成定位传感器。如能实现上述设计，将大大减少驱动芯片引脚，减少外围器件，缩短系统工程师设计周期，同时还能减少电机驱动电路板面积，有利于电机小型化和轻薄化;②单芯片精确设定电机转速。当前无刷直流散热微电机驱动芯片多采用PWM方式控制电机转速，且多为开环控制方式。由于电机转速不会随PWM占空比完全线性变化，因此很难实现转速精准控制。当前为实现转速精确控制需使用微控单元，这大大增加了成本，因此采用闭环PWM控制方式实现电机转速的精确控制必将是未来的发展方向;③低电源电压驱动芯片。当前系统复杂程度越来越高，为降低系统功耗，系统供电电压越来越低，因此低电压工作如1.5 V，甚至1.2 V电机驱动芯片会是后续发展的又一方向。为实现低电压驱动，除设计时采用低电压驱动电路架构外，还需选用低阈值电压半导体工艺进行电路整合。