在三相电机应用中集成带锂离子电池的无刷直流电机时的设计-Intersil.PDF

在三相电机应用中集成带锂离子电池的无刷直流电机时的设计考量 引言 随着主要用于延长运行时间的无刷电机和锂离子电池的引入，采用了电池给电机供电来驱动的设备产品 市场正在快速增长。正在升级到这类新设备的传统市场应用实例包括：电池供电工具（电钻、电锯和鼓 风机等）、小型电动车（电动自行车和轮椅等）、不间断电源，当然这只是一部分例子。这些新一代产 品还需要经过升级的MOSFET 桥驱动器，以充分发挥其功能优势，同时减少与集成带有锂离子电池的无 刷直流（BLDC）电机相关的问题。 升级到锂离子电池和无刷直流电机 锂离子电池的高能量密度是优于镍镉（Ni-Cd）、镍氢（Ni-MH）或铅酸电池等其他电池技术的一种显著 优势。通常情况下，锂离子电池拥有其他这些电池技术两到三倍的能量密度。能量密度越高意味着电池 组越小，可实现更轻、更小型化的手持工具。此外，也可以在不增加诸如电动自行车或轮椅应用中原有 电池组尺寸或重量的前提下实现更长的运行时间。 但是，锂离子电池增加的能量密度并非没有应用方面的问题。不像我们通常认为的电池那样，锂离子电 池不是电压源。锂离子电池（100-500nH）明显的内部自感应可导致相当大的纹波电压，这是使用脉码 调制（PWM）来驱动电机所带来的后果。简单和显而易见的解决办法是在MOSFET 桥两端增加足够的电 容，但是外壳空间限制或成本可能让人望而却步。 除了紧凑的空间，印刷电路板（PCB）外形的限制也是许多电池供电便携工具的重要问题。在这类应用的 一些情况中，只在电桥两端添加了最小的电容，会导致电桥上显著的电压纹波。在仅有最小桥电容同时 是重负载情况下，一个典型18-20V 锂离子电池的电池谷纹波可低至5V，最高峰值（hilltop）电压则可高 达36V 。另一个需要考虑的因素是例如堵转等在过载情况，电池电压可能下降到非常低的值。在这些例 子中，理想的方案是用控制器而不是驱动器来决定如何对这些恶劣的运行情况做出反应。 使用BLDC 电机有几个动力。BLDC 电机的最大转速（RPM）主要受制于转子的结构，而有刷直流电机的 转速主要受制于碳刷本身。在大多数应用中，齿轮减速传动用来将电机的转速降低到应用所需的转速。 因此，由于BLDC 电机的旋转速度可能比有刷电机快许多倍，一个物理上更小的BLDC 电机加上齿轮传动 比的相应调整将产生相同的转速，并将转矩施加到产品的输出端。另一个明显的优点是因为没有了碳 刷，就不会产生磨损，也不产生显著的EMI。为了增加运行时间，BLDC 电机的一个显著优点就是效率的 提高，通常为类似有刷直流电机的150％或更高。 BLDC 电机也有它自己的应用问题：主要是驱动电子装置额外的复杂性。在一个单向有刷电机驱动应用 中，只需要一个MOSFET 桥电路。在一个双向有刷电机驱动电路中，需要有两个桥电路。但是，BLDC 电 机即使在单向应用中也需要三个桥电路，这种增加的复杂性需要体积更小或更高功能的集成电路，以减 少元件数量、BOM 成本和占位空间，尤其是在空间受限的应用中。 1 Intersil 单向电机驱动 双向电机驱动 三相BLDC 电机驱动 电池供电电机桥驱动器的理想特性 1. 由于许多电机驱动应用的桥驱动器都要求相对较低的偏置电流，而控制器（通常是一个DSP 或单片 机）也要求类似的低偏置电流，理想的方案是在一个桥驱动器中集成带有使能输入的线性稳压器 （LDO），桥驱动器为12VDD，控制器为3.3VCC 。 2. 用于LDO 使能输入的机械开关必须要有去抖（denouncing ）功能，以确保LDO 的无抖动（bounce free ）接通。 3. 可以最大限度减少电池电量消耗的超低静态电流是非常理想的。理想情况下，当桥电压出现而应用没 有运行时，这将以一种睡眠模式来实现，它可以安全地关闭驱动器。 4. 采用电池电压低至5V 的不间断桥操作，这是通过约为4.2V 的欠压锁定完成的。传统桥驱动器的UVLO 通常在7.5V。 2 Intersil 5. 在相位节点（HS）上对负瞬变的高抗干扰能力对于稳健运行很有必要。电机驱动的趋势一直是桥FET 中有更高等级的开关电流（＞200A ）。除了高开关电流和非最优PCB 外形的限制，在HS 引脚上将源 于寄生PCB 电感的负瞬态降到最低也是一个PCB 设计难题。 6. 在许